Parametrisk design av planetgirsystem for vindturbiner

Abstract

Fornybare energikilder har opplevd en stor økning de siste årene. Den Europeiske Unionen har som mål å være verdensledende innen fornybar energiproduksjon. Som et resultat vokser vindenergiproduksjonen til høyere og høyere nivåer, hvor vindturbiner er den viktigste drivkraften. En sentral komponent i vindturbiner er girkassen, som er ansvarlig for mest nedetid i vindturbinen, forårsaket av feil i girkassen. Mange av disse feilene kan være forårsaket av en designprosess av girkassen som ikke tar hensyn til hvordan komponenter påvirker hverandre. Derfor er det viktig å samle kunnskap om designen av girkassen tidlig. En pre-design metodikk kan brukes for å få denne kunnskapen.

Fokuset i denne oppgaven er å foreslå en parametrisk design av et planetgirsystem for landbaserte vindturbiner som skal brukes i en tidlig designfase. I en parametrisk design er konfigurasjonen den opprinnelige informasjonstilstanden. Dette betyr at delen som er designet allerede har sin «form», men mangler sine dimensjoner. Fra ingeniørens perspektiv kan dette oppfattes som: konfigurasjonen til girsystemet eksisterer allerede, men har ikke dimensjoner. Den parametriske designen er utviklet med det overordnede målet om å minimere vekten av girsystemet, i tillegg til å gjøre den tidlige designfasen mer effektivt.

En sammenligning mellom den parametriske designen og en referansegirkasse er gjennomført, og flere observasjoner har blitt gjort. Sammenligningen avslører at målet om vektminimering av den foreslåtte parametriske designen er oppnådd og geometriske dimensjoner er rimelige.

Renewable energy sources have experienced a big increase in recent years. The European Union has the goal of being a world leader in renewable energy production. As a result, wind energy production is growing to higher and higher levels, where wind turbines are the main driving force. A central component of a wind turbine is the gearbox, which is responsible for most wind turbine downtime, caused by gearbox failure. Many of these failures can be caused by a gearbox design process which does not consider how the components influence each other. Therefore, it is important to acquire knowledge about the gearbox design early on. A pre-design methodology can be used to gain this information.

The focus of this thesis is the proposal of a parametric design of a planetary gear system for onshore wind turbines to be used in an early design stage. In a parametric design, the configuration is the initial state of information. This means that the part that is designed already has its ”form”, but lacks its dimensions. From a gear designer's perspective, this can be perceived as: the gear system configuration already exists, but does not have dimensions. The parametric design is developed with the overall goal of minimizing the gear system weight, in addition to making the early design stage more time efficient.

A comparison between the parametric design and a reference gearbox is conducted and several observations are made. The comparison reveals that the objective of weight minimization of the proposed parametric design is achieved and geometric dimensions are reasonable.