Design of Torque Flange Adapters

Abstract

This thesis is performed on behalf of Wärtsilä’s Testing and Validation department and focuses on the design of two adapters required for installing a torque flange between the engine and generator of a Wärtsilä W16V31 engine.

The theory chapter provides a technical foundation for the design work in this thesis. It covers product development and the importance of accurate torque measurement using torque flanges. Key aspects of mechanical design, such as material selection, mechanical stress, torque and vibrations in rotating machinery are presented. The chapter also explains relevant DNV classification standards for marine applications and introduces finite element analysis (FEA) as a tool for simulating stress in components. Together, these topics are used as a base for the results of the thesis but also give the reader a better understanding of how different factors affect downstream components in an engine drivetrain.

In the design process, Wärtsilä’s internal calculation tools were used alongside DNV classification standards for dimensioning and verifying bolt pattern strength. The adapter designs were created using Siemens NX, a 3D CAD software. A finite element analysis (FEA) was performed on one of the adapters to evaluate its structural strength and identify potential stress concentrations. The results of this study contribute to the integration of the torque flange into the engine drivetrain.

Detta examensarbete har utförts åt Wärtsiläs Testing and Validation avdelning och fokuserar på utformningen av två adaptrar som krävs för att installera en momentfläns mellan motorn och generatorn på en Wärtsilä W16V31-motor.

Teorikapitlet utgör den tekniska grunden för designarbetet. Det behandlar produktutveckling samt vikten av noggrann momentmätning med hjälp av momentflänsar. Centrala faktorer inom maskinkonstruktion presenteras som materialval, hållfasthet, Vridmoment samt vibrationer i roterande komponenter. Kapitlet förklarar även relevanta klassificeringsstandarder från DNV för marina installationer och presenterar finita elementmetoden (FEA) som ett verktyg för att simulera spänningar i komponenter. Tillsammans bildar dessa grunden för arbetets resultat och hjälper läsaren att förstå hur olika faktorer påverkar komponenter i en motor motordrivlina.

I designprocessen användes Wärtsiläs interna beräkningsverktyg tillsammans med DNV:s klassificeringsstandarder för dimensionering och verifiering av bultmönstrets hållfasthet. Adaptrarna designades i Siemens NX, ett tredimensionellt CAD program. En finita elementanalys genomfördes på en av adaptrarna för att utvärdera dess hållfasthet och identifiera potentiella spänningskoncentrationer. Resultatet av studien bidrar till integrering av momentflänsen i motorns drivlina.

Tämä opinnäytetyö on toteutettu Wärtsilän Testing and Validation -osaston toimeksiannosta ja keskittyy kahden adapterin suunnitteluun, joita tarvitaan momenttilaipan asentamiseksi moottorin ja generaattorin väliin Wärtsilä W16V31 -moottorissa.

Teoriaosuus muodostaa teknisen perustan suunnittelutyölle. Se käsittelee tuotekehitystä sekä tarkkojen momenttimittausten merkitystä momenttilaippojen avulla. Keskeisiä koneensuunnitteluun liittyviä tekijöitä esitellään, kuten materiaalivalinta, lujuus, vääntömomentti ja värähtelyt pyörivissä komponenteissa. Luvussa käydään läpi myös DNV:n meriteollisuudelle tarkoitetut luokitusstandardit sekä esitellään elementtimenetelmä (FEA) jännitystilojen simulointityökaluna. Yhdessä nämä aiheet muodostavat pohjan työn tuloksille ja auttavat lukijaa ymmärtämään, miten eri tekijät vaikuttavat voimansiirtolinjan komponentteihin.

Suunnitteluprosessissa käytettiin Wärtsilän sisäisiä laskentatyökaluja yhdessä DNV:n standardien kanssa mitoituksen ja pulttikuviovoimien tarkistamiseen. Adapterit mallinnettiin Siemens NX -ohjelmistolla, joka on 3D CAD -ohjelma. Yhdelle adapterille suoritettiin elementtimenetelmäanalyysi (FEA) sen rakenteellisen kestävyyden arvioimiseksi ja mahdollisten jännityskeskittymien tunnistamiseksi. Työn tulokset tukevat momenttilaipan onnistunutta integrointia moottorin voimansiirtoon.