Analysing the influence of non-torque loads on the excitation behaviour of integrated WTG gearboxes

Abstract

The Noise-Vibration-Harshness behaviour, especially the tonality of wind turbines, is an important criterion for getting an operating permit of the wind turbine and receiving the acceptance by customers. The tonality behaviour of a wind turbine is mainly driven by the dynamic behaviour of the powertrain and partially by the excitation behaviour of the gearbox. The excitation behaviour of planetary gear stages can be described by the parameter and path excitation and depends on the phase shift based on the macro geometrical parameters. The path excitation is caused by the designed micro geometry but also based on all deviations from the ideal involute. This can be caused due to mesh misalignments by load dependent deflections inside the gearbox. These deflections can be induced by the distortion of planet carriers. In addition, the powertrain integration increases the risk of load dependent mesh misalignments caused by non-torque loads on the gear stages. A robust design must compensate all these deflections. For deriving a robust design under these conditions, the knowledge about the effects must be applied and reflected in the analyse and design methods for gearboxes. This paper will treat the investigations of the influence of non-torque loads on the excitation behaviour of gearboxes. The paper will describe the basics of gear excitations in the context of the powertrain architecture. Furthermore, it will show how the test procedure has been designed to evaluate the excitation behaviour under the influence of non-torque loads behaves. It will conclude with the discussion of the test results.

Zusammenfassung

Das Geräuschverhalten und insbesondere die Tonalität von Windenergieanlagen ist ein wichtiges Kriterium zur Erlangung der Betriebserlaubnis ebendieser, aber auch für die Akzeptanz bei Kunden und Nachbarn. Die Tonalität einer Windenergieanlage wird im Wesentlichen durch das dynamische Verhalten des Antriebsstrangs und teilweise durch das Anregungsverhalten des Getriebes bestimmt. Das Anregungsverhalten von Planetenstufen lässt sich anhand der Parameter- und Weganregung beschreiben und hängt von den Phasenverschiebungen ab, die maßgeblich von den makrogeometrischen Größen bestimmt werden. Die Weganregung wird durch die gezielte Einbringung von Zahnflankenmodifikationen aber auch durch Abweichungen von der idealen Evolvente hervorgerufen. Diese Abweichungen können ihre Ursache in der Fertigung, Fehlpositionierung der Räder in der Montage aber auch durch lastbedingte Verlagerungen der Räder zueinander finden. Die lastbedingten Verlagerungen in einer Planetenstufe hängen von der torsionalen Verformung des Planetenträgers und von den Nachgiebigkeiten der Welle-Lager-Systeme ab. Eine zunehmende Integration von Antriebsstrangkomponenten, wie es Vestas macht, kann das Risiko von lastbedingten Verformungen im Getriebe erhöhen, wenn parasitäre oder Windlasten auf den Antrieb wirken. Das erfordert eine robuste Getriebeauslegung, die diesen Einflüssen standhalten kann. Um eine robuste Getriebeauslegung zu gewährleisten, erfordert es entsprechende Kenntnis über die verschiedenen Einflussgrößen und deren Auswirkungen, die in den Analyse- und Auslegungsmethoden verankert sind.

Diese Veröffentlichung beschreibt die Grundlagen der Getriebeanregung im Zusammenhang mit der Antriebsstrangarchitektur. Ferner wird eine Testmethode und ihre Herleitung erläutert, um das Anregungsverhalten unter Berücksichtigung von drehmomentunabhängigen Lasten im Getriebe zu untersuchen. Abschließend werden die Messergebnisse diskutiert.