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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Estudo do comportamento vibratório lateral e torcional do trem de potência de um aerogerador de eixo horizontal
Title Alternative: Bending and torsional vibratory behavior study of a powertrain in horizontal axis wind turbine
Author: Macêdo, Breno Oliveira, 1990-
Advisor: Dias Junior, Milton, 1961-
Abstract: Resumo: O trem de potência de um aerogerador de eixo horizontal típico consiste em um rotor de pás, seguido de uma caixa de engrenagens e, por fim, de um gerador. A caixa de engrenagens conecta o eixo do rotor, que é de baixa rotação, ao eixo do gerador com alta rotação, aumentando assim sua velocidade angular para valores mais adequados à produção de eletricidade. Os modelos dinâmicos propostos para este sistema encontrados na literatura são, em sua maioria, baseados em modelos de multicorpos, nos quais se considera apenas o grau de liberdade de torção na análise vibratória. No entanto, os componentes internos da caixa de engrenagens acoplam os movimentos em todas as direções, com carregamentos axiais, torcionais e de flexão combinados, resultando em efeitos dinâmicos complexos ainda pouco explorados pela literatura científica. O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento vibratório de um trem de potência presente em aerogeradores de velocidade variável e eixo horizontal, pertencentes à classe de 1 MW. Neste estudo, utilizou-se um modelo dinâmico baseado em elementos finitos. Cada elemento possui 5 graus de liberdade por nó; foi desconsiderado o movimento axial. Foram inclusos os efeitos da rigidez variável ao longo dos engrenamentos helicoidais, tornando o sistema resultante linear e variante com o tempo. Neste modelo, foram considerados mancais com rigidez linear. Os parâmetros modais para o sistema equivalente invariante com o tempo são apresentados. Simulações com o aerogerador operando sob rotação variável foram feitas e seus resultados foram analisados utilizando ferramentas de processamento de sinais estacionários e não estacionários. Por tais resultados, é possível atestar a presença de forças dinâmicas internas à caixa de engrenagens possuindo componentes de frequências iguais ou múltiplas das frequências de engrenamento. Dependendo da velocidade de operação da máquina e das características do par engrenado, demonstra-se que estas forças podem excitar modos vibratórios do sistema, o que pode provocar um desgaste prematuro dos componentes do aerogerador. São também verificadas características de sistemas lineares variantes com o tempo, incluindo fenômenos de ressonâncias secundárias

Abstract: A typical wind turbine powertrain consists of a bladed rotor followed by a gearbox and finally a generator. The gearbox connects the rotor low-speed shaft to the generator high-speed shaft, increasing the rotational speed to the values more suitable for electricity production. In literature, dynamic models proposed for this system are, predominantly, based on multibody approach, where torsion is the only degree of freedom considered in vibratory analyses. Nevertheless, the internal components of the gearbox couple movements in all directions, producing combined axial, torsional and bending loads, which results in complex dynamic effects that are still underexplored by scientific literature. The purpose of the present work is to study the vibratory behavior of a variable speed, horizontal axis type, 1 MW class wind turbine powertrain. In this study, a finite element model was used. The elements have 5 degrees of freedom per node; the axial movements were not considered. In this model the variable stiffness effects of the helical gear meshing were included resulting in a linear time-varying system. The bearings were considered having linear stiffness. The modal parameters of the equivalent time-invariant system are presented. Simulations were made with the wind turbine operating in variable rotation speed conditions and the results were analyzed using stationary and non-stationary signal processing tools. These results showed the presence of dynamic forces inside the gearbox containing frequency components equal to the gear meshing frequencies and its multiples. Depending on the operation machine speed and the gear pair characteristics, it is demonstrated that these forces may excite vibrating modes of the system, and in turn, this can lead to premature wear of the wind turbine components. It is also verified the occurrence of secondary resonances and linear time-varying systems characteristics
Subject: Turbinas a vento
Engrenagens - Vibração
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: MACÊDO, Breno Oliveira. Estudo do comportamento vibratório lateral e torcional do trem de potência de um aerogerador de eixo horizontal. 2017. 1 recurso online (110 p.). Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/331287>. Acesso em: 3 set. 2018.
Date Issue: 2017
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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