Impact of mass and deformation on the gearbox of large wind turbines

Das Hauptziel der Arbeit ist die Einführung der technischen Modifikationen im Stand der Technik der Zahnradgetriebe zur Realisierung von Windkraftgetriebe in der Leistungsklasse 10+ MW. Im Rahmen der Arbeit wird die Getriebeoptimierung zur Reduzierung der Gondelmasse sowie die Zahnkontaktoptimierung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit betrachtet. Das erste Forschungsziel betrachtet die Gesamtsumme der Getriebe- und Generatormasse. Das zweite Forschungsziel beschäftigt sich mit den zwei Hauptherausforderungen wie die Optimierung der Lastaufteilung auf die Zahneingriffe und die Breitenlastverteilung an den Flanken. Beim ersten Forschungsziel ist der Stand der Technik der Zahnradgetriebe mit Planetengetriebe und leistungsverzweigten Getriebe in Stirnbauweise als Lösungsraum gegeben. Zwei Berechnungsmodelle für die Getriebe- und Generatormasse werden in Abhängigkeit von den geometrischen Attributen einer vorgegebenen Getriebestruktur abgeleitet. Ausgehend von den Berechnungsmodellen wird der Einfluss der Getriebestrukturen auf die Gondelmasse untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das größte Gewichtsreduzierungspotenzial durch das leistungsverzweigte Getriebe in Stirnbauweise mit scnelldrehenden Generatoren (>1200U/min) in Kombination von einer Anzahl von Leistungsverzweigungs-baumodulen höher als drei möglich ist. Beim zweiten Forschungsziel wird ein selbstausrichtendes Lagerkonzept vorgestellt. Ein Zwischenrad auf ein Flexpin ist zwischen jedem Ritzel und Hauptzahnrad vorgesehen, sodass die zwei Eingriffsebene am Zwischenrad senkrecht zueinander stehen. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse ist die Hypothese hinter dem vorgeschlagenen Lagerkonzept verifiziert. Eine kritische Winkelfehlausrichtung ist als Input für die Zahnräder in verschiedenen Kombinationen der Richtungen der Tragbildverlagerung an den zwei Flanken des Zwischenrades und mit dem Einsatz vom außen- und innenverzahnten Hauptzahnrad angegeben. Die Ergebnisse konnten die Hypothese nachweisen, wobei die Reduzierung vom Breitenlastfaktor 40% erreicht wurde. Das Lagerkonzept ergibt die besten Ergebnisse, wenn die Tragbildverlagerung an den zwei Flanken des Zwischenrades in unterschiedlichen Richtungen verlaufen. Der Einsatz vom außen- und innenverzahnten Hauptzahnrad macht keinen Unterschied auf das Lagerkonzept. Nach der Fusion vom nach Stand der Technik leistungsverzweigten Getriebe in Stirnbauweise mit dem vorgestellten Lagerkonzept wurde ein Optimierungsverfahren für die finale Getriebestruktur dargestellt. Das Verfahren ist die Brute-Force-Methodik in Kombination mit einem eingebetteten Entfernungsprinzip. Die Ergebnisse zeigen, dass das Getriebe trotz des Massennachteils der eingeführten Zwischenräder dennoch bei einer höheren Anzahl von Leistungsverzweigungs-baumodulen (mehr als fünf) Massenreduzierungspotenzial bietet.