Effects of crack initialization angle on crack propagation path of thin rim gears for wind turbines

Abstract

Nowadays, wind turbines are one of the main subjects of the designers due to the everincreasing interest in renewable energy sources. Due to dynamic loads that effect the gear system, cracks may observe on the gear teeth. These cracks may proceed along either the tooth or the rim. In similar cases, if the crack proceeds along with the tooth, crack classified as benign. If the crack proceeds along with the rim direction, the cracks can be classified as catastrophic cracks. In this study, the effects of crack initialization angle and backup ratio on the crack propagation path are investigated numerically for spur gears. The maximum stress location at the gear root is defined as the crack starting point. The initial cracks are opened with 0° - 45° - and 90° crack initialization angles. Also, five different backup ratios are used for crack propagation analysis. The analyses are performed in ANSYS Workbench, SMART Crack Growth module. The crack propagation paths are evaluated for fifteen analyses. As a result, if the rim thickness is high, the crack initialization angle has no effects on the crack paths. It has an influence on the crack propagation paths for the special rim thickness.

Günümüzde, rüzgar türbinleri, yenilenebilir enerji kaynaklarına gittikçe artan ilgi nedeniyle dişli tasarımcılarının ana konularından birisi haline gelmiştir. Dişli sistemine etki eden dinamik yükler nedeniyle, dişli dişlerinde çatlaklar oluşabilir. Bu çatlaklar diş veya rim boyunca ilerleyebilir. Benzer durumlarda; çatlak diş boyunca ilerliyorsa, çatlak iyi huylu olarak sınıflandırılır. Çatlak rim boyunca ilerliyor ise; bu tip çatlaklar yıkıcı çatlaklar olarak sınıflandırılabilir. Bu çalışmada, düz dişli çarklarda çatlak başlangıç açısı ve rim oranının çatlak ilerleme yolu üzerindeki etkileri nümerik olarak incelenmiştir. Diş kökündeki maksimum gerilme yeri, çatlak başlangıç noktası olarak tanımlanmıştır. İlk çatlaklar, 0 ° - 45 ° - ve 90 ° çatlak başlangıç açıları ile açılmıştır. Ayrıca, çatlak ilerleme analizi için beş farklı rim oranı kullanılmıştır. Çatlak ilerleme analizleri ANSYS Workbench, SMART Crack Growth modülünde gerçekleştirilmiştir. Çatlak ilerleme yolları on beş analiz ile değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, rim kalınlığı büyük ise, çatlak başlangıç açısının çatlak ilerleme yolları üzerinde bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Çatlak başlangıç açısının özel bir rim kalınlığı için çatlak ilerleme yolları üzerinde bir etkisi olduğu tespit edilmiştir.