Simulation model of wind turbine gearbox and lubrication system
Heikkilä, Pasi (2015)
Diplomityö
Heikkilä, Pasi
2015
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2015081810950
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2015081810950
Tiivistelmä
As increasing efficiency of a wind turbine gearbox, more power can be transferred from rotor blades to generator and less power is used to cause wear and heating in the gearbox. By using a simulation model, behavior of the gearbox can be studied before creating expensive prototypes.
The objective of the thesis is to model a wind turbine gearbox and its lubrication system to study power losses and heat transfer inside the gearbox and to study the simulation methods of the used software. Software used to create the simulation model is Siemens LMS Imagine.Lab AMESim, which can be used to create one-dimensional mechatronic system simulation models from different fields of engineering. When combining components from different libraries it is possible to create a simulation model, which includes mechanical, thermal and hydraulic models of the gearbox.
Results for mechanical, thermal, and hydraulic simulations are presented in the thesis. Due to the large scale of the wind turbine gearbox and the amount of power transmitted, power loss calculations from AMESim software are inaccurate and power losses are modelled as constant efficiency for each gear mesh. Starting values for simulation in thermal and hydraulic simulations were chosen from test measurements and from empirical study as compact and complex design of gearbox prevents accurate test measurements.
In further studies to increase the accuracy of the simulation model, components used for power loss calculations needs to be modified and values for unknown variables are needed to be solved through accurate test measurements. Parantamalla tuuliturbiinin hyötysuhdetta, enemmän tehoa voidaan välittää roottorin lavoilta generaattorille ja vähemmän tehoa kulutetaan vaihteen osien kulumiseen ja lämmittämiseen. Simulointimallia käyttämällä vaihteen käyttäytymistä voidaan tutkia ennen kalliiden prototyyppien luomista.
Diplomityön tavoitteena on mallintaa tuuliturbiinin vaihde ja voitelujärjestelmä ja tutkia voimahäviöitä ja lämmönsiirtoa vaihteessa ja perehtyä käytettävän simulointiohjelman simulointimenetelmiin. Käytettävä simulointiohjelma on Siemensin LMS Imagine.Lab AMESim, jolla voidaan luoda yksiulotteisia simulointimalleja mekatronisista järjestelmistä eri tekniikan aloilta. Yhdistämällä komponentteja AMESim-ohjelman eri kirjastoista, on mahdollista luoda simulointimalli vaihteesta, joka käsittää mekaanisen, termisen ja hydraulisen mallinnuksen.
Tulokset mekaanisesta, termisestä ja hydraulisesta mallinnuksesta ovat esitetty diplomityössä. Johtuen tuuliturbiinin vaihteen suuresta koosta ja välitettävän voiman suuruudesta, voimahäviöiden mallinnus AMESim-ohjelmassa on epätarkka, jonka takia voimahäviöiden mallinnus eri hammaspyörien ryntöjen välillä on toteutettu vakiohyötysuhteilla. Alkuarvot termisessä ja hydraulisessa simuloinnissa on selvitetty mittauksilla ja empiirisellä tutkimuksella, sillä tuuliturbiinin vaihteen kompakti ja moniosainen rakenne estävät tarkkojen mittauksien teon.
Simulointituloksien tarkentamiseksi jatkotutkimuksissa on parannettava voimahäviöiden mallinnuksessa käytettävien komponenttien tarkkuutta ja alkuarvot termiselle ja hydrauliselle mallille on selvitettävä yksityiskohtaisemmilla mittauksilla.
The objective of the thesis is to model a wind turbine gearbox and its lubrication system to study power losses and heat transfer inside the gearbox and to study the simulation methods of the used software. Software used to create the simulation model is Siemens LMS Imagine.Lab AMESim, which can be used to create one-dimensional mechatronic system simulation models from different fields of engineering. When combining components from different libraries it is possible to create a simulation model, which includes mechanical, thermal and hydraulic models of the gearbox.
Results for mechanical, thermal, and hydraulic simulations are presented in the thesis. Due to the large scale of the wind turbine gearbox and the amount of power transmitted, power loss calculations from AMESim software are inaccurate and power losses are modelled as constant efficiency for each gear mesh. Starting values for simulation in thermal and hydraulic simulations were chosen from test measurements and from empirical study as compact and complex design of gearbox prevents accurate test measurements.
In further studies to increase the accuracy of the simulation model, components used for power loss calculations needs to be modified and values for unknown variables are needed to be solved through accurate test measurements.
Diplomityön tavoitteena on mallintaa tuuliturbiinin vaihde ja voitelujärjestelmä ja tutkia voimahäviöitä ja lämmönsiirtoa vaihteessa ja perehtyä käytettävän simulointiohjelman simulointimenetelmiin. Käytettävä simulointiohjelma on Siemensin LMS Imagine.Lab AMESim, jolla voidaan luoda yksiulotteisia simulointimalleja mekatronisista järjestelmistä eri tekniikan aloilta. Yhdistämällä komponentteja AMESim-ohjelman eri kirjastoista, on mahdollista luoda simulointimalli vaihteesta, joka käsittää mekaanisen, termisen ja hydraulisen mallinnuksen.
Tulokset mekaanisesta, termisestä ja hydraulisesta mallinnuksesta ovat esitetty diplomityössä. Johtuen tuuliturbiinin vaihteen suuresta koosta ja välitettävän voiman suuruudesta, voimahäviöiden mallinnus AMESim-ohjelmassa on epätarkka, jonka takia voimahäviöiden mallinnus eri hammaspyörien ryntöjen välillä on toteutettu vakiohyötysuhteilla. Alkuarvot termisessä ja hydraulisessa simuloinnissa on selvitetty mittauksilla ja empiirisellä tutkimuksella, sillä tuuliturbiinin vaihteen kompakti ja moniosainen rakenne estävät tarkkojen mittauksien teon.
Simulointituloksien tarkentamiseksi jatkotutkimuksissa on parannettava voimahäviöiden mallinnuksessa käytettävien komponenttien tarkkuutta ja alkuarvot termiselle ja hydrauliselle mallille on selvitettävä yksityiskohtaisemmilla mittauksilla.