Protótipo de Um Aerogerador de Eixo Horizontal PDF
Protótipo de Um Aerogerador de Eixo Horizontal PDF
Protótipo de Um Aerogerador de Eixo Horizontal PDF
DEM/POLI/UFRJ
título de Engenheiro.
Rio de Janeiro
Março de 2015
1
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Flávio de Marco Filho, D. Sc. (Orientador)
________________________________________________
Prof. Sylvio José Ribeiro de Oliveira, D. Ing.
________________________________________________
Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D. Sc.
Referências Bibliográficas: p. 77
3iii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Março 2015
4
iv
Abstract of Undergraduate Project presented to Polytechnic School/ UFRJ as a partial
fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.
March 2015
This work presents the design of a small-scale prototype of a horizontal axis wind
turbine after some pre-defined operational parameters. The author comment the
modern history of wind energy and the status of the wind energy around the world and
in Brazil. Then, following the initial requirements and applying the technical knowledge
acquired during the undergraduate mechanical engineering course, the design process
of the mechanical components starts and then end with the technical draws.
5v
SUMÁRIO
1) INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 7
1.1) RESUMO DA HISTÓRIA MODERNA DA ENERGIA EÓLICA ............................ 7
1.2) EVOLUÇÃO DA ENERGIA EÓLICA NO MUNDO .............................................. 11
1.3) ENERGIA EÓLICA NO BRASIL ............................................................................. 14
2) FUNDAMENTOS DE TURBINAS EÓLICAS ................................................................ 19
2.1) CARACTERÍSTICAS GERAIS ............................................................................... 19
2.2) TURBINA EÓLICA DE EIXO VERTICAL (VAWT) .............................................. 21
2.3) TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL (HAWT) ........................................ 24
3) PROTÓTIPO DE AEROGERADOR DE EIXO HORIZONTAL .................................. 29
3.1) RESUMO DO PROJETO ........................................................................................ 29
3.2) CÁLCULO DA POTÊNCIA DISPONÍVEL NO VENTO ....................................... 30
3.3) O LIMITE DE BETZ E A POTÊNCIA REAL TEÓRICA EXTRAÍDA ................. 31
3.4) DETERMINAÇÃO DO PERFIL AERODINÂMICO DAS PÁS ............................ 35
3.5) CÁLCULO DA POTÊNCIA REAL TEÓRICA EXTRAÍDA .................................. 38
3.6) CÁLCULO DAS FORÇAS AERODINÂMICAS ENVOLVIDAS .......................... 40
3.7) PÁS DO ROTOR ...................................................................................................... 43
3.8) CUBO DO ROTOR................................................................................................... 44
3.9) ÁRVORE DE POTÊNCIA ........................................................................................ 46
3.10) CHAVETAS DA ÁRVORE DE POTÊNCIA....................................................... 51
3.11) FREIO..................................................................................................................... 52
3.12) MANCAIS ............................................................................................................... 53
3.13) ACOPLAMENTOS................................................................................................ 55
3.14) CAIXA MULTIPLICADORA DE VELOCIDADES ............................................. 57
3.15) GERADOR ELÉTRICO........................................................................................ 64
3.16) ESTRUTURA ........................................................................................................ 66
3.17) NACELE ................................................................................................................. 67
3.18) CAUDA ................................................................................................................... 68
3.19) TORRE ................................................................................................................... 70
3.20) SISTEMA DE GUINADA ..................................................................................... 74
4) CONCLUSÃO ................................................................................................................... 76
5) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 77
APÊNDICE A: DESENHOS TÉCNICOS .............................................................................. 79
6vi
1) INTRODUÇÃO
energia solar e a rotação planetária. Todos os planetas envoltos por gases em nosso
rurais. Acredita-se que desde a segunda metade do século XIX mais de 6 milhões de
cata-ventos já teriam sido fabricados e instalados somente nos Estados Unidos para o
usados também em outras regiões como a Austrália, Rússia, África e América Latina. O
sistema se adaptou muito bem às condições rurais tendo em vista suas características
7
As primeiras tentativas para tentar gerar eletricidade com este tipo de tecnologia
surgiram no final do século XIX. Nos Estados Unidos, a partir da década de 30,
baterias em áreas rurais, a fim de abastecer essas regiões isoladas [1]. Nesse sistema,
geralmente de duas ou três pás tipo hélices, a estas moviam um gerador de corrente
de regime de vento. Um dos projetos bem sucedidos foi o aerogerador Jacobs (fig. 1)
apresentando três pás, controle centrífugo de passo, diâmetro de 4,27 metros e pás de
madeira tipo hélice. Esse sistema fornecia 1kW elétrico para velocidade de 5,5 m/s,
8
Com o avanço da rede elétrica, foram feitas, também no início do século XX,
de grande porte para aplicações elétricas foi dado na Rússia em 1931. O aerogerador
Balaclava (figura 2) era um modelo avançado de 100 kW conectado, por uma linha de
de que a energia nuclear viesse a ser uma fonte segura e barata de geração de energia
modelos de eixo horizontal e também com modelos de eixo vertical. Uma das primeiras
9
modelo experimental de média escala e de eixo horizontal denominado de Mod-0.
rotor, a 8 m/s), uma torre com 30,5 m e um rotor de 38,1 m de diâmetro. [2, 5]
dos choques de alta dos preços do petróleo. Em 1982, construíram a maior turbina
modelo que representava as mais altas tecnologias disponíveis até o momento. Uma
turbina era fixada em uma torre tubular flexível com 100 m de altura e 100 m de diâmetro
de rotor, com duas pás e capacidade de gerar 3.000 kW a ventos de 11.8 m/s. Mesmo
projeto após o período de testes [3]. Data também dessa época a turbina DEBRA
10
100kW, desenvolvida em conjunto entre os institutos de pesquisa aeroespacial do Brasil
contida nos ventos já vem de longa data, porém a sua utilização em larga escala para
geração de eletricidade no mundo só veio a ocorre de fato a partir do ano 1996 como
global de geração de eletricidade. De fato, somente nos últimos dez anos a capacidade
11
A partir da figura 5 é possível ver que a capacidade instalada adicionada no
mundo anualmente vinha crescendo desde 1996 e só teve uma queda considerável no
ano de 2013. De qualquer maneira, somente nos últimos 5 anos a média de capacidade
instalada adicionada por ano no mundo foi de 39.760 MW [6]. Isso mostra a velocidade
Figura 5 - Capacidade global de energia eólica adicionada por ano entre 1996-2013 [6]
alguns poucos países como China, Estados Unidos e Alemanha, que juntos detém
quase 60% de toda a capacidade instalada no mundo. Como se pode ver na figura 6, a
China segue liderando o ranking dos países com maior capacidade instalada, com um
total de 91.2 GW. Os Estados Unidos ocupam a 2ª colocação no ranking seguido por
energia eólica, representam 84.8% de todo o mercado global desse segmento. Esses
poucos países.
toda a capacidade adicionada no mundo durante aquele ano. Para se ter uma base de
12
número representa quase cinco vezes mais do que o adicionado pelo segundo colocado
do total adicionado globalmente no ano. Será visto no próximo tópico que o Brasil vem
expandindo de forma significativa o seu parque eólico ano após ano, incentivando cada
vez mais a tecnologia no país, com diversos complexos eólicos contratados nos últimos
previsão para os próximos anos indica que a energia eólica deve se consolidar como
13
1.3) ENERGIA EÓLICA NO BRASIL
Como foi visto, o Brasil em 2013 alcançou uma posição de destaque entre os
países que mais expandiram naquele ano a sua capacidade de gerar energia elétrica
através do aproveitamento dos ventos. De fato, nos últimos anos, o país passou a
introdução gradual dessa fonte em larga escala comercial na matriz brasileira teve
origem no ano de 2001, quando houve a crise energética que colocou o país em estado
de racionamento. Isso fez com que o país buscasse alternativas para complementar a
Nos anos seguintes, o país investiu fortemente em usinas térmicas, que geram
energia a um custo bem mais alto e tem maior impacto ambiental em termos de
emissões de gases de efeito estufa, como uma forma rápida de implantar um sistema
2013, a capacidade instalada de usinas termoelétricas atingiu 36.9 GW. Além disso, nos
últimos cinco anos, a média de capacidade instalada adicionada atualmente deste tipo
de fonte foi de aproximadamente 2.8 GW, conforme se pode ver no gráfico da figura 7.
14
O primeiro incentivo a geração eólica começou com a criação do PROEÓLICA –
de projetos de energia eólica até dezembro de 2003. O programa serviu de base pra
que o governo criasse outros programas que viriam a surgir mais adiante. [8]
das fontes renováveis na matriz brasileira, era abrir caminho para a fixação da indústria
voltado exclusivamente para a fonte eólica. O LER tem como objetivo contratar energia
para ser utilizada, conforme a sua denominação, como reserva de Garantia Física ao
um volume de energia de 1,8 GW, muito além daquele que fora estimado. Esse leilão
O sucesso do 2º LER abriu portas para que novos leilões para energia eólica
país de forma com que os empreendimentos fossem competitivos com as outras fontes
de energia.
Já em 2011 ocorreram mais três leilões públicos, o 4º LER, o A-31 e o A-52 onde
a fonte eólica teve grande destaque ao negociar o total de 2,9 GW naquele ano. No ano
seguinte, em dezembro de 2012, ocorreu o leilão A-5, que contratou energia para início
15
de suprimento em 2017. Neste leilão foram contratados 281,9 MW de energia eólica.
Além dos programas do governo e dos leilões em mercado regulado, a fonte eólica
também comercializa sua energia, em uma escala menor, no mercado livre onde as
Leilão de Energia A-5 de 2013, cujo resultado foi a contratação de 97 projetos que
no Brasil.
16
Figura 8 - Capacidade instalada de energia eólica adicionada anualmente no Brasil. [7]
novos parques eólicos no início de 2014, em abril deste ano, o Brasil registrava 158
garantia física de 856 MW médios [11]. A capacidade instalada das usinas eólicas
17
Capacidade Fator de
Quantidade Geração
UF Instalada Capacidade
Usinas (MWmed)
(MW) Médio
RN 1158 40 272 0.24
CE 935 29 146 0.16
RS 598 21 166 0.28
BA 233 8 72 0.31
SC 222 10 48 0.22
PB 59 12 10 0.17
SE 35 1 6 0.16
RJ 28 1 4 0.15
PE 21 5 5 0.22
PI 18 1 3 0.14
PR 12 2 3 0.22
Total 3319 130 735 0.22
Figura 9 – Capacidade instalada brasileira de energia eólica por unidade federativa. [9]
Os Estados do Rio Grande do Norte, Ceará, Rio Grande do Sul, Bahia e Santa
Além disso, existem outros 264 parques eólicos outorgados, que totalizam uma
9.659 MW de energia eólica à rede nos próximos anos, o que representa atualmente,
Brasil. [11]
18
2) FUNDAMENTOS DE TURBINAS EÓLICAS
são classificados por sua construção em dois tipos: de eixo horizontal, mais conhecido
como HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine), e de eixo vertical, mais conhecido por
Estrutura
Rotor
Eixo principal
Caixa multiplicadora
Gerador
associada:
19
Por último, também existe a classificação da posição do rotor em relação ao
mecanismo de correção da guinada (Yaw) para que a turbina esteja sempre no melhor
ângulo para receber o vento incidente. Entretanto, os aerogeradores Upwind são mais
rotação no rotor, que transmite o movimento através do eixo para a caixa multiplicadora,
que então ajusta o giro para que a rotação na entrada do gerador seja a adequada para
começa a produzir energia até que, quando atinge a velocidade de vento de projeto, o
20
equipamento produz a sua potência de projeto. Para determinadas velocidades acima
da velocidade de vento para o qual a turbina foi projetada, deve haver um freio para
impedir que os equipamentos se danifiquem por conta da alta velocidade do vento, como
se pode ver na figura 10. Esse freio é tanto para conter rajadas quanto para fazer
vertical também podem ser movidos por forças de sustentação (lift) e por forças de
arrasto (drag). Os principais tipos de rotores de eixo vertical são Darrieus, Savonius e
turbinas com torre de vórtices. Os rotores do tipo Darrieus são movidos por forças de
21
A turbina eólica do tipo Savonius é movida por forças de arrasto e consistem em
duas ou três conchas. Olhando de cima para uma turbina de duas conchas ela tem o
formato da letra “s” e, por causa da sua curvatura, as conchas sofrem menos arrasto
quando se movem contra o vento do que quando se movem a favor do vento. Essa
diferença na força de arrasto gera um momento binário que faz a turbina girar. Por serem
tubinas de arrasto, as turbinas tipo Savonius extraem muito menos da potência do vento
quando comparadas com turbinas de tamanho similar movidas por força de sustentação.
turbinas tipo Darrieus, porém neste caso as lâminas curvas são substituídas por lâminas
22
Figura 13 - Turbina eólica de eixo vertical tipo Giromill. [12]
esforços na estrutura
manutenção
23
Cargas aerodinâmicas cíclicas, induzindo fadiga ou mesmo a destruição
das pás
Maior área de pás que as turbinas de eixo horizontal para uma mesma
potência
mundial está voltada para a sua utilização. São movidos por forças aerodinâmicas
permitem liberar muito mais potência do que aqueles que giram sob efeito de forças de
arrasto, para uma mesma velocidade de vento. Os rotores de eixo horizontal ao longo
sustentação e devem possuir mecanismos capazes de permitir que o disco varrido pelas
pás esteja sempre em posição perpendicular ao vento. Tais rotores podem ser
24
Figura 14 - Exemplo de aerogerador de eixo horizontal moderno. [12]
trabalho, o disco varrido pelas pás pode estar a jusante do vento (downwind) ou a
de orientação do rotor com o fluxo de vento, enquanto nos sistemas a jusante do vento,
25
mostra a configuração típica do espaçamento entre turbinas em um parque eólico, em
26
Existem três configurações possíveis: multiplicador e gerador alinhados,
A Nacele é a carcaça que fica montada sobre a torre, onde se situam o gerador,
vento em energia mecânica de rotação. Através do seu perfil aerodinâmico, esta cria
elétrico. Isso pode ser feito através de uma caixa multiplicadora, que irá ajustar a rotação
entrada
27
Dificuldade de instalação, operação e manutenção devido principalmente
altura adequada para a qual ele foi projetado. Ela é quem suporta todo o peso dos
utilizados para controlar a rotação do eixo em condições críticas, tais como velocidades
28
3) PROTÓTIPO DE AEROGERADOR DE EIXO HORIZONTAL
a seguir:
Diâmetro do rotor = 3𝑚
De posse dos dados iniciais foi possível iniciar a modelagem desde a potência
disponível no vento, da potência aproveitável pela turbina, do perfil das pás do rotor até
29
Figura 17 - Ilustração tridimensional do protótipo de aerogerador.
Esses, por sua vez, são parâmetros iniciais do projeto e portanto tem-se:
𝜌 ∗ 𝐴𝑣𝑎𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎 ∗ 𝑉𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜 3
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 =
2
Ou ainda
𝜌 ∗ 𝜋 ∗ 𝐷𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 2 ∗ 𝑉𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜 3
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 =
8
30
Onde:
Então:
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 = 2217 𝑊
Embora tenha sido calculada a potência nominal disponível no vento, essa não
𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙
𝐶𝑝 =
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝
conclusão de que nenhuma turbina eólica pode ter um 𝐶𝑝 maior que 16/27, ou seja,
vento em energia mecânica no rotor. Essa conclusão é conhecida até os dias de hoje
como Limite de Betz ou a Lei de Betz. Este limite nada tem a ver com as ineficiências
no gerador mas sim na própria natureza das turbinas eólicas, como será visto a seguir.
seu interior, sendo este o simulador de uma turbina. O tubo de corrente tem duas
disco/turbina que vai criar uma descontinuidade na pressão do ar. A teoria do disco
31
atuador fornece uma base lógica para demonstrar que a velocidade do escoamento no
rotor. Essa transformação faz com que a energia cinética contida em uma massa de ar
Então, para um aerogerador ser 100% eficiente, este precisaria provocar uma parada
total na massa de ar que está em movimento - mas nesse caso em vez de pás seria
necessária uma massa sólida cobrindo 100% da área de passagem e o rotor não
No outro extremo se tivéssemos uma turbina com apenas uma pá a maior parte
do vento passaria gerando pouco movimento nas pás e mantendo toda a energia
cinética do vento. Entre estes dois extremos existe um pico ou ponto máximo de
1919.
32
Para determinarmos o coeficiente de potência 𝐶𝑝 precisamos utilizar o gráfico
que relaciona o coeficiente de solidez com o Tip Speed Ratio (TSR), que é a razão
entre a velocidade na ponta das pás do rotor, com a velocidade de projeto do vento
incidente.
𝑤 ∗ (𝐷𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 )/2
𝑇𝑆𝑅 =
𝑉𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜
Onde:
33
𝑧 ∗ 𝐴𝑝á
𝐶𝑆 =
𝐴𝑣𝑎𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎
Onde:
𝐶𝑆 é o coeficiente de solidez
e do tipo de turbina.
Figura 20 - Gráfico típico que relaciona o Cp e o TSR para alguns tipos de rotores. [13]
34
3.4) DETERMINAÇÃO DO PERFIL AERODINÂMICO DAS PÁS
de fontes renováveis, tais como a energia eólica e a solar. A figura 21 mostra a tabela
O perfil escolhido foi o S822 por ser o mais adequado para a faixa de parâmetros
35
Figura 22 - Perfil do aerofólio S822 da família NREL. [14]
Quando analisa-se um perfil de aerofólio, busca-se o ângulo de ataque tal que maximize
𝐶𝐿
dos dados do aerofólio apresentados anteriormente, tem-se que a relação entre o
𝐶𝐷
36
𝛼 = 9,5ᵒ
respectivamente:
𝐶𝐿 = 0,954
𝐶𝐷 = 0,034
𝑉𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 ∗ 𝑐
𝑅𝑒 =
𝜈
Onde:
Logo:
𝑐 = 0,094 𝑚 = 9,4 𝑐𝑚
𝑅𝑐𝑢𝑏𝑜 = 0,15 𝑚
Então:
𝐿𝑝á = 1,35 𝑚
37
Usualmente, o perfil da pá de um rotor varia com a distância ao centro do cubo
assim como o ângulo de torção, ambos a fim de otimizar a aerodinâmica das pás para
foge ao escopo deste protótipo. Portanto, foi adotado um perfil de aerofólio constante
𝐴𝑝á = 𝑐 ∗ 𝐿𝑝á
Onde:
Logo:
𝐴𝑝á = 0,127 𝑚2
equação
𝑧 ∗ 𝐴𝑝á
𝐶𝑆 =
𝐴𝑣𝑎𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎
𝐶𝑆 = 0,054 = 5,4%
Então, através do gráfico da figura 19, pode-se estimar o TSR. Porém aqui
Baixos valores de TSR normalmente são utilizados para aplicações que se requer altos
torques e baixa velocidade angular, tal como nos moinhos de vento, bombas e etc.
Valores entre 1 e 3 são considerados baixos. Além disso, esses baixos valores levam a
38
menores solicitações de origens centrífugas e aerodinâmicas. Os perfis de aerofólios
Já valores mais altos do TSR costumam ser utilizados em aplicações tal como a
geração de eletricidade com uma, duas ou múltiplas pás, pois esta aplicação não
necessita de alto torque mas sim de alto giro para que o gerador elétrico trabalho nas
suas condições ideais. No entanto, com altos valores de TSR as forças centrífugas e
altos valores de TSR é o ruído gerado pelo equipamento. Valores sugeridos na literatura
considerações anteriores:
𝑇𝑆𝑅 = 5
𝐶𝑃 = 0,35
multiplicadora e do conjunto elétrico, pode-se estimar a potência elétrica real que será
𝜂𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 = 95%
𝜂𝑒𝑞.𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 = 88%
39
E portanto, a potência real gerada estimada é dada por:
a velocidade na ponta da pá, para que se possa calcular o ângulo de escoamento, isto
aparente. Este último é definido como a diferença vetorial entre o vetor velocidade do
vento incidente com o vetor velocidade na ponta das pás. As figuras 24 e 25 ilustram
40
Figura 25 - Forças de sustentação e arrasto decompostas
Onde:
𝛷 é o ângulo de escoamento
𝛼 é o ângulo de ataque
𝛽 é o ângulo de passo
𝑉𝑡𝑎𝑛 = 𝑤 ∗ 𝑟
41
𝑤 ∗ (𝐷𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 )/2
𝑇𝑆𝑅 =
𝑉𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜
𝑟𝑎𝑑
𝑤 = 26.7 = 255 𝑟𝑝𝑚
𝑠
𝑉𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜
𝛷 = arctan ( ) = 11,3ᵒ
𝑉𝑡𝑎𝑛
Sabe-se que:
𝛷 = α+β
α = 9,5ᵒ
Então tem-se:
β = 1,8ᵒ
seguintes equações:
1 𝐷𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 𝐷𝑐𝑢𝑏𝑜
F= ∗ 𝜌 ∗ 𝑉𝑟𝑒𝑠 2 ∗ 𝑧 ∗ 𝑐 ∗ (𝐶𝐿 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛷 − 𝐶𝐷 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝛷 ) ∗ ( − )
2 2 2
42
1 𝐷𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 𝐷𝑐𝑢𝑏𝑜
T= ∗ 𝜌 ∗ 𝑉𝑟𝑒𝑠 2 ∗ 𝑧 ∗ 𝑐 ∗ (𝐶𝐿 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝛷 − 𝐶𝐷 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛷 ) ∗ ( − )
4 2 2
Onde:
Logo:
F = 359,4 N
T = 40,1 Nm
A pá do rotor foi modelada como tendo o perfil constante ao longo do raio e sem
torção. O material a ser utilizado em sua construção é o alumínio 6061 T6, muito
perfil da pá será fabricado a partir da usinagem de uma barra maciça de alumínio através
43
. Além do perfil, será usinado na mesma barra o acoplamento que será
O cubo será a peça responsável pela fixação das pás do rotor, bem como pela
com a árvore se dará através de uma chaveta paralela, que será descrita
posteriormente. O cubo é composto pela base e pela tampa, sendo cada pá fixada ao
mesmo através de quatro parafusos M10, porcas e arruelas. Ambas as partes do cubo
serão fabricadas em aço AISI 4340 temperado e revenido a 540 ᵒC, cujas propriedades
44
Alongamento = 13%
Dureza = 360 𝐻𝐵
será feita através de porca e arruela tamanho M20, que serão rosqueadas na ponta do
A tampa do cubo é fixada pelos mesmo parafusos M10 que passam pela pá,
sendo responsável por completar a fixação da pá a base. Existe uma espécie de “nariz”,
45
Figura 28 - Tampa do cubo do rotor.
proveniente do rotor até o eixo de entrada da caixa multiplicadora, que elevará o giro do
eixo de saída para que este alcance a velocidade necessária na entrada do gerador
elétrico. Além disso, também resistirá a ação do torque do freio. Ela estará apoiada em
dois mancais de rolamento, que serão descritos mais adiante. A árvore terá 30 mm em
seu diâmetro mínimo e será torneada a partir de uma barra cilíndrica de aço SAE 1020
Alongamento = 15%
Dureza = 131 𝐻𝐵
46
Massa específica; 𝜌 = 7.900 𝐾𝑔/𝑚3
A árvore é modelada como uma viga biapoiada sobre os mancais, com uma
carga concentrada agindo a uma pequena distância da ponta do eixo (60 mm), que
rotor é de 35 𝐾𝑔, sendo o peso total 344 𝑁. As figuras a seguir mostram o diagrama de
47
Figura 30 - Diagrama de esforço cortante do eixo.
48
Então, dos gráficos temos:
𝑅𝐴 = 559 𝑁
𝑅𝐵 = −215 𝑁
𝑉𝑚á𝑥 = 344 𝑁
𝑀𝑚á𝑥 = 43 𝑁𝑚
Onde:
Logo, tem-se:
𝑑𝑚𝑖𝑛 = 18,6 𝑚𝑚
segurança inicial igual a 3, é preciso garantir um fator de segurança razoável para o eixo
também através do critério de falha por fadiga. Portanto, de maneira conservadora, será
adotado para o eixo o diâmetro mínimo de 30 mm a fim de garantir que o eixo não falhará
49
Então, para o cálculo do fator de segurança segundo o critério de falha por fadiga
𝜋 ∗ 𝑑𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜 3 ∗ 𝑘𝑎 ∗ 𝑘𝑏 ∗ 𝑘𝑐 ∗ 𝑘𝑑 ∗ 𝑘𝑒 ∗ 𝑘𝑓 ∗ 𝑆𝑒
𝐹𝑆𝑓𝑎𝑑𝑖𝑔𝑎 =
16 ∗ √4 ∗ 𝑀𝑚á𝑥 2 + 3 ∗ 𝑇𝑚á𝑥 2
Onde:
Sabe-se que:
Então, temos:
𝐹𝑆𝑓𝑎𝑑𝑖𝑔𝑎 = 4,7
50
3.10) CHAVETAS DA ÁRVORE DE POTÊNCIA
que atuam no eixo, transmitindo o torque desses elementos ao eixo e vice-versa. O eixo
possuirá 3 chavetas, uma para o cubo do rotor, outra para o freio eletromagnético e mais
uma terceira para o acoplamento que unirá o eixo à caixa multiplicadora. As chavetas
serão fabricadas de aço SAE 1020 laminado a frio. As propriedades desse material
chaveta do cubo do rotor. As chavetas projetadas seguem a norma NBR 6375. [18]
𝑆𝑦,1020
𝐹𝑆𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 =
𝜎
Onde:
4∗𝑇𝑚á𝑥
𝜎 é a tensão de compressão; 𝜎 = = 30,5 𝑀𝑃𝑎
𝑑𝑐 ∗𝑏𝑐 ∗𝐿𝑐
Logo:
𝐹𝑆𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = 11,0
0,577 ∗ 𝑆𝑦,1020
𝐹𝑆𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =
𝜏
Onde:
2∗𝑇𝑚á𝑥
𝜏 é a tensão de cisalhamento; 𝜏 = 𝑑𝑐 ∗𝑏𝑐 ∗𝐿𝑐
= 15,3 𝑀𝑃𝑎
51
Logo:
𝐹𝑆𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 12,7
3.11) FREIO
muito acima da velocidade de vento de projeto, bem como manter o rotor parado para
fonte de 24V, sendo capaz de gerar um torque de até 80 N.m, ou seja, proporcionando
52
Figura 34 - Desenho esquemático do freio selecionado.
3.12) MANCAIS
carga do conjunto do rotor, bem como garantir um bom alinhamento para o eixo. Eles
SNL 509, cujos rolamentos são autocompensadores de rolos modelo 22209 EK. Este
53
tipo de rolamento permite que sejam compensados erros de alinhamento em eixos e
selecionados.
54
Figura 37 - Detalhes do mancal de rolamento selecionado.
3.13) ACOPLAMENTOS
árvore principal e o eixo de entrada da caixa multiplicadora, bem como entre o eixo de
são do fabricante Mayr, modelo ROBA-ES. Este modelo é um acoplamento flexível e foi
selecionado pois permite desalinhamento paralelo, angular e axial, além de ser de fácil
desse projeto. O acoplamento é fixado nos eixos através de chaveta, para transmissão
55
38 ilustra o acoplamento selecionado. As principais características desse modelo são
e axial
e vertical
56
Figura 39 – Informações técnicas do acoplamento selecionado.
principal até uma rotação mais alta, compatível com o necessário para o gerador elétrico
meio e a tampa. Ela é fabricada em ferro fundido e feita dessa forma a fim de que os
eixos possam ser montados adequadamente. A base é fixa na estrutura por parafusos
57
O variador de velocidades projetado é de dois estágios de redução iguais, de
rotação de 255 rpm para aproximadamente 1790 rpm. Como veremos mais adiante, o
gerador elétrico selecionado é um motor trifásico de 4 pólos de 1,1 kW, cuja potência
ideal pois permitiu um número de dentes inteiro tanto para a coroa quanto para o pinhão.
mesmas.
de vida maior que 108 ciclos. O coeficiente de segurança (CS) adotado é igual a 4.
Seja:
o 𝑆𝑦 = 648 𝑀𝑃𝑎
o 𝐻𝐵 = 495
58
Figura 40 – Gráfico utilizado para estimar o fator de forma J.
CRITÉRIO DA AGMA
𝑑𝑝1 = 𝑚 ∗ 𝑧1 = 79,5 𝑚𝑚
𝑑𝑝2 = 𝑚 ∗ 𝑧2 = 30𝑚𝑚
𝜋∗𝑑𝑝
𝑝= 𝑧
= 4,71 𝑚𝑚
𝑑𝑝
𝑣 = ∗ 𝑤 = 1,06 𝑚/𝑠
2
𝑃𝑒
Carga transmitida: 𝑊𝑡 = 𝑣
= 1010 𝑁
50
Fator dinâmico (dentes fresados): 𝐾𝑣 = 50+ = 0,77
√200∗𝑣
𝑆
𝜎𝑎𝑑𝑚 = 𝐶𝑆𝑦 = 162 𝑀𝑃𝑎
59
Largura do dente escolhida: 𝐹𝑝 = 17 𝑚𝑚
𝑊𝑡
𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴 = = 157,3 𝑀𝑃𝑎
𝐾𝑣 ∗𝐽∗𝐹𝑝 ∗𝑚
𝑆𝑢𝑡
Fator de Segurança: 𝐹𝑆 = 𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴
= 5,4
o a = 1,58
o 𝑏 = −0,085
1 𝑏
o 𝐾𝑎1 = a ∗ [𝑆𝑢𝑡 ∗ 𝑀𝑃𝑎] = 0,891
Logo:
Então:
𝑆𝑒
𝑛𝑔 = 𝜎 = 2,1
𝐴𝐺𝑀𝐴
60
Então:
𝑛𝑔
𝑛=𝐾 = 1,8
0 ∗𝐾𝑚
𝑆𝑦
Coeficiente de segurança estático: 𝐶𝑆𝑒𝑠𝑡 = 𝜎 = 4,6
𝐴𝐺𝑀𝐴 ∗𝐾0 ∗𝐾𝑚
2∗𝑆𝑒 ∗𝑆𝑢𝑡
Coeficiente de segurança dinâmico: 𝐶𝑆𝑑𝑖𝑛 = (𝑆 = 2,6
𝑒 +𝑆𝑢𝑡) ∗𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴 ∗𝐾0 ∗𝐾𝑚
Fator de Temperatura - 𝐶𝑇 = 1
𝐶𝐿 ∗𝐶𝐻
𝑆𝐻 = 𝑆𝑐 ∗ = 1620 𝑀𝑃𝑎
𝐶𝑇 ∗𝐶𝑅
𝑆𝐻
𝑛𝑔 = = 10,3
𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴
𝑛𝑔
𝑛= = 8,8
𝐾0 ∗𝐾𝑚
Soderberg para calcular o diâmetro mínimo em cada eixo. A partir disso, define-se
61
O eixo de entrada do variador possui engrenagem acoplada por chaveta. Os
forma que eles sejam inteiriços. No eixo intermediário a coroa é fixada através de
62
Os diâmetros críticos, no acoplamento das engrenagens, são:
dos eixos de entrada e saída do variador. Os rolamentos são da marca SKF modelos
63
Figura 43 – Dados técnicos dos rolamentos selecionados para o variador.
mecânica de rotação do eixo em energia elétrica. Para este projeto foi selecionado um
motor trifásico da marca WEG, de baixa tensão e altíssimo rendimento para atuar como
gerador de eletricidade.
O modelo selecionado é o W22 Quattro de 4 pólos, 1,1 kW, 220V, cuja rotação
padronizada L80. Este modelo é o de mais alto rendimento da fabricante, como será
64
mostrado a seguir. As figuras a seguir apresentam as principais características do motor
elétrico selecionado:
65
Figura 46 - Detalhes geométricos do motor elétrico selecionado.
3.16) ESTRUTURA
equipamentos, bem como todos os esforços gerados pelos mesmos. Ela foi projetada
66
A estrutura é composta por dois tubos longitudinais com tubos transversais
soldados nos pontos onde serão fixados os componentes. As chapas dobradas são
Uma outra peça também de aço é soldada na parte inferior da estrutura para
servir como base de fixação no sistema de guinada do aerogerador, que será descrito
3.17) NACELE
funciona tão somente como proteção aos efeitos diretos do meio ambiente. Ela será
fabricada de fibra de vidro, por ser um material leve e bastante resistente aos efeitos
climáticos. Vedações de silicone são aplicadas tanto no furo da árvore principal, quanto
no rasgo da cauda.
A nacele está dividida em duas partes, a base e a tampa, que possuem encaixes
M12 para fixação no sistema de guinada. A figura a seguir ilustra em três dimensões a
nacele projetada.
67
Figura 49 – Ilustração tridimensional da nacele projetada.
3.18) CAUDA
(yaw) do aerogerador, com o objetivo de manter o rotor sempre na direção que maximize
passivo e o próprio vento faz o alinhamento do aerogerador. Ele é composto por uma
turbinas eólicas, Windy Nation [19], o dimensionamento da cauda deve levar em conta
68
Figura 50 – Recomendação sobre parâmetros do dimensionamento da cauda. [19]
69
𝜋 ∗ 𝐷𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 2
𝐴𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎 = 5% ∗ 𝐴𝑚𝑜𝑙ℎ𝑎𝑑𝑎 = 5% ∗ = 0,35 𝑚2
4
Desta forma foi projetada uma cauda com o formato específico com área
projetada.
3.19) TORRE
suspenso. Além disso, em seu topo é montado o sistema de guinada da nacele. A torre
Ela será dividida em duas partes de 4,9m conectados por flange através de parafusos,
totalizando 9,8m de altura. O sistema de guinada, descrito mais adiante, terá 0,2 m de
concreto será usada para fixar uma base que será parafusada e soldada no flange do
tubo inferior. O sistema de guinada é montado no tubo superior da torre ainda no solo.
70
Após a fixação do tubo inferior, a parte superior – onde foi montado o sistema de guinada
A massa total suspensa calculada é de 165 kg. A torre será modelada em seu
estado mais crítico, considerando uma velocidade de vento incidente de 24 m/s, isto é,
de três vezes a velocidade de projeto, agindo sobre o rotor e sua área longitudinal. A
torre será considerada como uma viga engastada na horizontal com a força de pressão
do vento agindo sobre sua área longitudinal e com a força de empuxo do rotor atuando
O tubo será fabricado com aço ST-52, cujas propriedades são descritas a seguir:
71
Figura 54 – Diagrama de corpo livre do tubo atuando como viga.
72
Figura 56 – Diagrama de momento fletor no tubo atuando como viga.
Então tem-se:
𝑉𝑚á𝑥 = 1.616 𝑁
𝑀𝑚á𝑥 = 16.160 𝑁𝑚
𝐷𝑡𝑢𝑏𝑜
𝑀𝑚á𝑥 ∗ 2 = 128,2 𝑀𝑃𝑎
𝜎=
𝐼𝑡𝑢𝑏𝑜
2 ∗ 𝑉𝑚á𝑥
𝜏= = 0,554 𝑀𝑃𝑎
𝐴
𝑆𝑦
𝐹𝑆 = = 2,7
𝜎𝑉𝑜𝑛 𝑀𝑖𝑠𝑒𝑠
Onde:
73
𝐷𝑡𝑢𝑏𝑜 é o diâmetro externo do tubo
𝜋 2 ∗ 𝐸𝑡𝑢𝑏𝑜 ∗ 𝐼𝑡𝑢𝑏𝑜
𝑃𝑐𝑟 = = 48,6 𝑘𝑁
4 ∗ ℎ𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 2
Onde:
𝑃𝑐𝑟
𝐹𝑆𝑓𝑙𝑎𝑚𝑏𝑎𝑔𝑒𝑚 = = 24,8
𝑀𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∗ 𝑔
Onde:
por alinhar a direção ótima do rotor com a direção do vento incidente, de forma a
faz o acoplamento do eixo com a torre. O eixo tem 265 mm e é apoiado em dois
74
rolamentos, um axial e um radial. Além disso, possui um furo no meio para que se
com a base da nacele. O eixo é vedado por um O’ring na extremidade superior a fim de
evitar que entre água e poeira no sistema. Um anel elástico posicionado na parte inferior
do eixo evita que ele saia do suporte. A figura 57 ilustra a seção transversal do sistema
de guinada projetado.
75
4) CONCLUSÃO
da internet.
Foi apresentado ao longo deste trabalho que a energia eólica para gerar
eletricidade está crescendo de uma forma cada vez mais acelerada, com a China não
só liderando de forma isolada o ranking dos países com maior capacidade instalada
(MW) do mundo, como também sendo o país que mais acrescenta aerogeradores no
No Brasil, vem sendo observada nos últimos anos uma rápida elevação da
capacidade instalada de energia eólica, com a fonte competindo fortemente nos últimos
leilões de energia nova do governo. A cada leilão a fonte vem mostrando ainda mais
todo.
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5) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] DO AMARANTE, O.A.C., BROWER, M., ZACK, J., LEITE DE SÁ, A., Atlas do
[2] DUTRA, R.M., 2001. Viabilidade Técnico-Econômica da Energia Eólica face ao novo
[4] SHEFHERD, D.G. Historical Development of the Windmill. In: SPERA, S.A. Wind
[5] DIVONE, L.V. Evolution of Modern Wind Turbines. In: SPERA, S.A. Wind Turbine
[6] GLOBAL WIND ENERGY COUNCIL. Global Wind Statistics 2013, 2014.
2013.
20/07/2014.
77
[11] SÍTIO DA AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. Banco de
[14] TANGLER, J.L., SOMERS, D.M. NREL Airfoil Families for HAWTs. National
em 20/07/2014.
[17] SCHUBEL, P.J., CROSSLEY, R.J. Wind Turbine Blade Design. University of
[18] SHIGLEY, J.E, MISCHKE, C.R, BUDYNAS, R.G., Projeto de Engenharia Mecânica.
em 01/08/2014.
78
APÊNDICE A: DESENHOS TÉCNICOS
79
3000 2745
10250