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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2022.tde-23032023-073213
Documento
Autor
Nome completo
Alex De Pretto Mansano
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2022
Orientador
Banca examinadora
Zachariadis, Demetrio Cornilios (Presidente)
Ackermann, Marko
Donato, Gustavo Henrique Bolognesi
Título em português
Análise de falhas por fadiga de engrenagens de turbina eólica ocasionadas por vibrações torcionais.
Palavras-chave em português
Engrenagens
Fadiga
Turbina eólica
Vibrações
Resumo em português
O uso de turbinas eólicas tem aumentado por conta do desenvolvimento sustentável. São sistemas mecânicos sujeitos a várias falhas por conta da aerodinâmica, sistemas elétricos etc., no entanto, há pouca contribuição científica na análise da transmissão, responsável por 60% das falhas e 25% do tempo de inatividade da turbina, bem como determinar as tensões de fadiga das engrenagens por causa das vibrações através de uma metodologia que possa vincular ambos os conceitos. Por isso, o objetivo dessa dissertação é obter as tensões de fadiga das engrenagens através dessa metodologia de forma simples, eficiente e prática. Inicialmente, foram criados quatro modelos baseados nas turbinas NREL 750 kW e 5 MW, considerando as rigidezes das malhas engrenadas e dos eixos. Todos os modelos foram simulados analiticamente e em ambiente Simulink/Simscape para gerar as curvas de receptância e obter os deslocamentos angulares sob ação de uma malha de controle feedback. Em seguida, obtiveram-se as forças normais para determinar as tensões de fadiga de flexão e de contato das engrenagens para, por fim, obter as vidas úteis à fadiga. Os resultados demonstraram que a engrenagem solar tem mais chances de falhar por fadiga de flexão, por ser a com o menor número de dentes da transmissão acoplada a três engrenagens planetárias e submetida a baixas rotações; por outro lado, o pinhão da alta rotação é o mais vulnerável à fadiga de contato por estar submetido a altas rotações. Conclui-se que a metodologia foi bem-sucedida ao demonstrar o impacto das rigidezes e dos eixos, detalhar o estudo da análise de fadiga através do estado triplo de tensões e coeficientes de carga e geometria e à variação das vidas úteis em função dos modelos, o qual elaborou um diagrama de falhas das engrenagens em função da linha de potência da transmissão.
Título em inglês
Fatigue failure analysis of wind turbine gears caused by torsional vibrations.
Palavras-chave em inglês
Fatigue
Gears
Methodology
Vibrations
Wind turbine
Resumo em inglês
The use of wind turbines has increased because of sustainable development. They are mechanical systems subject to various failures due to aerodynamics, electrical systems, etc., however, there is few scientific contribution in the transmission analysis, responsible for 60% of failures and 25% of downtime of the turbine, as well as determining the gear fatigue stresses due to vibrations through a methodology which can link both concepts. Therefore, the objective of this dissertation is to obtain the gear fatigue stresses of through this methodology by simple, efficient and practical way. Initially, four models based on NREL 750 kW and 5 MW turbines were created, considering the gears mesh stiffness and shaft stiffness. All models were simulated analytically and in Simulink/Simscape environment to create receptance curves and obtain the angular displacements under the action of a feedback control. Then, the normal forces were obtained to determine the gear bending and contact fatigue stresses to, finally, obtain the fatigue service lives. The results showed the sun gear has more chance to suffer bending fatigue failures because it has the smallest number of teeth in the transmission coupled to three planetary gears and subjected to low speeds. On the other hand, the high-speed pinion is the most vulnerable to contact fatigue failures because it is subjected to high speeds. It concludes the methodology was successful in demonstrating the shaft and mesh stiffness impact, detailing the study of fatigue analysis through the triple stress state and load and geometry coefficients, showing the variation of service lives in function of the models, and elaborating a gear failure diagram in a function of the transmission power line.
 
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Data de Publicação
2023-03-27
 
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