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Título: Estudo numérico-analítico dos efeitos de cargas axiais sobre o comportamento vibratório de pás eólicas
Autor(es): Oliveira, Fernanda Almeida Leite de
Orientador(es): Morais, Marcus Vinícius Girão de
Assunto: Turbinas eólicas
Aerogeradores
Método dos elementos finitos
Galerkin, Método de
Data de publicação: 15-Dez-2015
Data de defesa: 29-Out-2015
Referência: OLIVEIRA, Fernanda Almeida Leite de. Estudo numérico-analítico dos efeitos de cargas axiais sobre o comportamento vibratório de pás eólicas. 2015. 125 f., il. Dissertação (Mestrado em Integridade de Materiais de Engenharia)—Universidade de Brasília, Brasília, 2015.
Resumo: As turbinas eólicas tiveram um crescimento acentuado em suas dimensões ao longo dos anos. O diâmetro do rotor aumentou quase 10 vezes o seu tamanho da década de 80 ao ano de 2010. As pás eólicas de grande porte são mais flexíveis e estão sujeitas a maiores velocidades do vento devido ao aumento da altura das torres. As causas de acidentes envolvendo as pás estão relacionadas com erros de projeto, defeitos de fabricação, danos causados no transporte ou elevação, falhas na montagem, por esforços últimos ou por esforços de utilização. A fadiga está relacionada com os esforços de utilização que possuem natureza oscilatória, e é o principal problema no projeto de pás eólicas. As fontes de carga de um aerogerador são o carregamento aerodinâmico, inercial e gravitacional. O peso próprio das pás alterna e gera esforços de tração e compressão ao longo de seu comprimento. Eles são tidos como uma perturbação do sistema. Já as forças centrífugas possuem efeito estabilizador para altas velocidades de rotação. Elas tendem a suprimir o efeito oscilatório do peso próprio. Entretanto, as turbinas eólicas de médio e longo porte operam com faixas de velocidade de rotação baixas (10 a 40 RPM), e as forças centrífugas não possuem tanta influência na dinâmica da estrutura. Este trabalho apresenta soluções analítico-aproximadas de modelos de pás de aerogeradores. Os resultados obtidos através do método de Galerkin são utilizados para validar os procedimentos numéricos obtidos com o pacote computacional de elementos finitos ANSYS® e comparados com trabalhos da literatura. Os efeitos do peso próprio e da força centrífuga são analisados no comportamento dinâmico das pás. Em virtude do crescimento das pás e das baixas velocidades de operação dos aerogeradores, a influência do peso próprio é mais significativa. Ele gera oscilações nos valores das frequências naturais enquanto a força centrífuga gera um comportamento crescente. Nas velocidades críticas do diagrama de Campbell ocorre o fenômeno de ressonância das pás. O comportamento crescente do deslocamento é observado nos gráficos de resposta no tempo para estas frequências.
Abstract: The wind turbines have had a high increase in their dimensions over the years. The rotor diameter has increased almost 10 times its size from 80 decade to 2010. The large wind blades are turn to be more flexible and are subjected to higher wind speeds due to the increased height of the towers. The causes of accidents involving the blades are related to: design flaws, manufacturing defects, damage in transportation or lifting, fitting faults, for last efforts or usage efforts. Fatigue is related to the usage efforts that have oscillatory nature, and is the main problem in the design of wind blades. The load sources of a wind turbine are the inertial and gravitational load aerodynamic. The own weight of the blades switches and generates traction and compression efforts along its length. They are seen as a system disturbance. Whereas the centrifugal forces have a stabilizing effect for high rotational speeds. They tend to supress the oscillatory own weight effect. However, wind turbines of medium and long sized work at low speed ranges (10 to 40 RPM), and the centrifugal forces do not have much influence on the dynamics of the structure. This paper presents approximated analytical solutions models of wind turbines blades. The results of the Galerkin method is used to validate the numerical procedures obtained in ANSYS® and compared with the literature works. The effects of the own weight and centrifugal force are analyzed on the dynamic behavior of the blades. By virtue of the blades increase and low operating speeds of wind turbines, the influence of the own weight is more significant. It generates oscillations in the natural frequencies values while the centrifugal force generates a growing behavior. At critical speeds of the Campbell diagram occur the resonance phenomenon of the blades. The growing shifting behavior is observed in response graphs in the time for these frequencies.
Informações adicionais: Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Faculdade de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Integridade de Materiais da Engenharia, 2015.
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DOI: http://dx.doi.org/10.26512/2015.10.D.18923
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