Estudo numérico-analítico dos efeitos de cargas axiais sobre o comportamento vibratório de pás eólicas

Abstract

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.