PROJETO DE AEROGERADOR HORIZONTAL COMERCIAL …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10024721.pdf · 2 universidade federal do rio de janeiro departamento de engenharia mecÂnica

1

PROJETO DE AEROGERADOR HORIZONTAL COMERCIAL

DE PEQUENO PORTE

Gustavo Barbosa Secim dos Santos

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro.

Orientador:

Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

DEZEMBRO DE 2017

2

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

DEM/POLITÉCNICA/UFRJ

PROJETO DE AEROGERADOR HORIZONTAL COMERCIAL

DE PEQUENO PORTE


PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________

Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc. (Orientador)

________________________________________________

Prof. Fábio Luiz Zamberlan, D.Sc.

________________________________________________

Prof. Jules Ghislain Slama, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

DEZEMBRO DE 2017

i

Santos, Gustavo Barbosa Secim

Projeto de Aerogerador Horizontal Comercial de

Pequeno Porte / Gustavo Barbosa Secim dos Santos - Rio de

Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2017.

IX, 99p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Armando Carlos de Pina Filho

Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica /

Curso de Engenharia Mecânica, 2017.

Referências bibliográficas: p. 91 - 93.

1. Energia Limpa. 2. Aerogerador. 3. Geração eólica.

I. Pina Filho, Armando Carlos de. II. Universidade Federal

do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Engenharia

Mecânica. III. Título.

ii

Dedico este trabalho aos meus pais

Saul e Márcia e à minha namorada

Kamilla que tanto me incentivaram e

não me deixaram desistir mesmo nos

momentos mais difíceis.

iii

AGRADECIMENTOS

Gostaria primeiramente de agradecer aos meus pais, Saul Secim dos Santos e

Márcia Elias Barbosa dos Santos, pois sem eles nada disso teria sido possível. Desde o

início sempre me incentivaram, estiveram ao meu lado e sempre me apoiaram e

suportaram nos momentos mais difíceis.

Agradeço também aos meus irmãos Guilherme e Saul Jr. que apesar de mais

jovens sempre tornaram minhas estadias em casa mais felizes me dando apoio quando

necessário.

Agradeço muito também à minha namorada Kamilla, que me mais do que

ninguém sabe tudo o que eu passei durante os momentos mais difíceis da faculdade, mas

não me deixou desistir e deu todo o amor e suporte necessário para que eu chegasse ao

fim da jornada.

Agradeço aos meus padrinhos Marilene e Nelo, que me ajudaram me deixando

passar um bom tempo em sua casa quando a distância passou a se tornar um empecilho.

Agradeço aos meus amigos Rafael Montes, Thales de Assis e João Rego pois

estiveram sempre próximos quando precisei de ajuda e também pelas resenhas de cada

dia no decorrer do curso.

Por último, gostaria de agradecer à UFRJ e ao seu corpo docente pela dedicação

de cada dia em nos fornecer algo que ninguém mais vai conseguir tirar, que é o

conhecimento. Em especial ao professor Armando Pina que durante o período em que

precisei de ajuda no decorrer desse trabalho, esteve sempre presente e disposto a trocar

conhecimento e me orientar para que eu obtivesse êxito na conclusão do projeto.

iv

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos

requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

PROJETO DE AEROGERADOR HORIZONTAL COMERCIAL DE PEQUENO

PORTE


Dezembro/2017

Orientador: Armando Carlos de Pina Filho

Curso: Engenharia Mecânica

No século XXI tem sido grande a busca pela diversificação da matriz energética de

forma a tornar o mundo cada vez menos dependente da produção de energia derivada do

petróleo. A demanda pela chamada “energia limpa” tem crescido abruptamente nos

últimos anos, abrindo espaço para um novo mercado de energia que além de sustentável,

tem um custo de produção reduzido, já que usa como fonte recursos naturais como os

ventos ou os próprios raios solares. Utilizando esse cenário como parâmetro, este trabalho

tem como objetivo projetar um aerogerador comercial de pequeno porte que torne

possível até para as famílias de baixa renda, terem acesso a um sistema de geração eólica

sustentável e compacto. Por isso, ao longo do trabalho serão dimensionados a maioria dos

componentes além do uso de elementos comerciais da indústria largamente utilizados e

com boa confiabilidade, de forma a tornar os custos de uma possível produção acessíveis

e reduzir a complexidade do projeto.

Palavras-chave: energia limpa, aerogerador, geração eólica.

v

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Mechanical Engineer.

SMALL HORIZONTAL COMMERCIAL WIND TUBINE PROJECT


December /2017

Advisor: Armando Carlos de Pina Filho

Course: Mechanical Engineering

In the 21st century, the search for diversification of the energy matrix has been

great in order to make the world less and less dependent on the production of energy

derived from petroleum. The demand for so-called "clean energy" has grown steeply in

recent years, making room for a new energy market that, in addition to being sustainable,

has a low production cost, since it uses natural resources such as wind or solar rays. Using

this scenario as a parameter, this work aims to design a small commercial wind turbine

that makes it possible even for low-income households to have access to a sustainable

and compact wind generation system. Therefore, throughout the work will be scaled most

of the components and the use of commercial elements of widely used industry and good

reliability in order to make the costs of a possible affordable production and reduce the

complexity of the project.

Keywords: clean energy, wind turbine, wind generation.

vi

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 1

1.1 A História da Energia Eólica ...................................................................................................... 1

1.2 Cenário atual da Energia Eólica .................................................................................................. 7

1.3 Vantagens e desvantagens da utilização da Energia Eólica ...................................................... 11

1.4 Motivação ................................................................................................................................. 12

1.5 Objetivo .................................................................................................................................... 13

2 AEROGERADORES ............................................................................................ 14

2.1 Tipos de aerogeradores ............................................................................................................. 14

2.2 Capacidade de geração de um aerogerador de eixo horizontal ................................................. 18

2.3 A Lei de Betz ............................................................................................................................ 19

2.4 Rendimento de um aerogerador real ......................................................................................... 19

2.5 Configuração de um aerogerador de Eixo Horizontal ............................................................... 20

3 PROJETO E DIMENSIONAMENTO ................................................................ 22

3.1 Análise das condições iniciais ................................................................................................... 22

3.2 Cálculo da potência do rotor ..................................................................................................... 27

3.3 Aerodinâmica do Rotor ............................................................................................................. 27

3.4 Projeto e design dos componentes ............................................................................................ 33

3.5 Documentação gráfica do projeto ............................................................................................. 87

3.6 Estimativas de custos e economia ............................................................................................. 87

4 CONCLUSÃO ....................................................................................................... 89

4.1 Sugestões para trabalhos futuros ............................................................................................... 90

5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 91

6 ANEXOS ................................................................................................................ 94

vii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 – Padrões da circulação atmosférica e as principais bandas de alta e baixa

pressões a volta da Terra [13] ........................................................................................... 2

Figura 2 – Moinhos de vento do sistão em 1932 [2] ........................................................ 3

Figura 3 – Moinhos de vento do sistão (Atualmente no território do Irã) [11] ................ 3

Figura 4 - Os Moinhos de Zaanse Schan – Holanda [14] ................................................. 4

Figura 5 – Turbina de Jacobs (1961) [2] .......................................................................... 5

Figura 6 – Evolução da capacidade instalada anual de energia eólica ao redor do mundo

até 2016 [5] ....................................................................................................................... 8

Figura 7 – Evolução da capacidade instalada acumulada de energia eólica ano a ano até

2016 [5] ............................................................................................................................ 8

Figura 8 – Ranking dos 10 principais países em capacidade instalada anual e em

capacidade instalada total em 2016 [5] ............................................................................ 9

Figura 9 - Evolução da capacidade instalada no Brasil com previsão até 2020 [18] ..... 10

Figura 10 – Ranking dos principais estados brasileiros em capacidade instalada de energia

eólica [5] ......................................................................................................................... 11

Figura 11 – Evolução do tamanho dos diâmetros do rotor ao longo do tempo [17] ...... 14

Figura 12 – Rotor Savonius [2] ...................................................................................... 15

Figura 13 – Variações de modelos de rotor Darrieus [24] ............................................. 16

Figura 14- Representação dos rotores Downwind e Upwind em relação a direção do vento

[25] ................................................................................................................................. 17

Figura 15 – Representação da área varrida pelas pás do aerogerador horizontal [1] ..... 18

Figura 16 – Representação dos principais componentes dos aerogeradores de eixo

horizontal [18] ................................................................................................................ 21

Figura 17 - Mapa da distribuição dos ventos ao longo do território brasileiro [26] ....... 22

Figura 18 - Mapa da distribuição dos ventos na região Sudeste do Brasil [26] ............. 23

Figura 19 - Mapa da distribuição dos ventos na região Sul do Brasil [26] .................... 23

Figura 20 - Mapa da distribuição dos ventos na região Nordeste do Brasil [26] ........... 23

Figura 21 – Gráfico de distribuição de velocidade dos ventos em função da altura ...... 24

Figura 22 – Gráfico da relação entre TSR x Cp x Número de pás de um aerogerador [3]

........................................................................................................................................ 27

viii

Figura 23 - Gráfico que relaciona TSR x Solidez x Número de pás de um aerogerador [3]

........................................................................................................................................ 29

Figura 24 – Representação do corte transversal da pá de um aerogerador com suas

principais medidas [9] .................................................................................................... 29

Figura 26 - Gráfico do coeficiente de sustentação x ângulo de ataque do aerofólio NACA

4421[7] ........................................................................................................................... 31

Figura 25 - Gráfico do coeficiente de arrasto x ângulo de ataque do aerofólio NACA 4421

[7] ................................................................................................................................... 31

Figura 27 - Representação de uma seção do perfil NACA 4421 [7] .............................. 31

Figura 28 - Representação das forças do sistema ........................................................... 32

Figura 29 – Representação gráfica do esforço cortante e do momento fletor em relação a

força normal sobre a haste .............................................................................................. 35

Figura 30 - Representação gráfica do esforço cortante e do momento fletor em relação a

força peso na haste .......................................................................................................... 36

Figura 31 – Design do hub retirado do Solidworks ........................................................ 38

Figura 32 – Análise de Von Mises utilizando o Solidworks Simulation Express .......... 39

Figura 33 - Esquema de transmissão do aerogerador ..................................................... 41

Figura 34 - Representação gráfica do esforço cortante e do momento fletor em relação ao

peso do conjunto HUB+PÁS .......................................................................................... 51

Figura 35 - Representação do mancal do eixo de entrada SKF SE 508-607 [19] .......... 56

Figura 36 – Imagem ilustrativa do modelo de acoplamento flexível MAYR [21] ........ 57

Figura 37 - Tabela padronizada de chavetas segundo norma ABNT-NBR 6375 .......... 58

Figura 38 – Representação gráfica do esforço cortante e momento fletor no eixo de

entrada em relação a força exercida pelo engrenamento ................................................ 61

Figura 39 - Representação gráfica do esforço cortante e momento fletor no eixo

intermediário em relação as forças exercidas pelos engrenamentos neste eixo ............. 67

Figura 40 - Representação gráfica do esforço cortante e momento fletor no eixo de saída

em relação a força exercida pelo engrenamento presente nele ....................................... 72

Figura 41 – Imagem ilustrativa do freio eletromagnético modelo ROBA-quick [21] ... 75

Figura 42 – Folha de dados do motor WEG W22 IR3 Premium retirada do site do

fabricante [20]................................................................................................................. 77

Figura 43 - Design final do Chassi feito no Solidworks................................................. 78

Figura 44 – Representação da Nacele feita do Solidworks ............................................ 79

Figura 45 - Esquema ilustrativo das relações entre a cauda e o rotor [8] ....................... 81

ix

Figura 46 - Tabela de fator de forma AGMA para engrenagens com ângulo de pressão de

20 graus .......................................................................................................................... 94

Figura 47 - Fator de cálculo para rolamentos rígidos de esferas (Fabricante SKF) [19] 94

Figura 48 - Fator de cálculo para rolamentos rígidos de esferas (Fabricante SKF) ....... 94

Figura 49 - Tabela do catálogo de acoplamentos do fabricante Mayr [21] .................... 95

Figura 50 - Ficha técnica do rolamento SKF do eixo do rotor [19] ............................... 95

Figura 51 - Bucha do adaptador SKF do mancal e rolamento do rotor [19] .................. 95

Figura 52 - Ficha técnica do mancal SKF do rotor [19] ................................................. 95

Figura 54 - Ficha técnica SKF dos rolamentos do eixo intermediário e de saída [19] ... 95

Figura 53 - Ficha técnica do rolamento do eixo de entrada SKF [19]............................ 95

Figura 55 - Rolamento SKF do topo da torre de sustentação [19] ................................. 95

Figura 56 - Ficha técnica SKF do rolamento guia do topo da torre [19] ........................ 95

1

1 INTRODUÇÃO

1.1 A História da Energia Eólica

A energia proveniente dos ventos tem sido utilizada pela humanidade desde muito

tempo para diversas atividades. Acredita-se que a primeira utilização da energia

proveniente dos ventos foi a aplicação de velas em pequenas e primitivas jangadas pelos

chineses em 4000 A.C. Os egípcios também construíram suas embarcações e às utilizaram

para navegar pelo Rio Nilo por volta de 3400 A.C., mas só lançaram suas primeiras

embarcações ao Mar Vermelho por volta de 1250 A.C. Esses pequenos avanços

proporcionaram uma capacidade de exploração maior para os navegantes da época,

viabilizando a descoberta de novos continentes e novas rotas comerciais, que dominaram

a navegação marítima desde então, e que foi fundamental para uma melhor compreensão

geográfica do planeta Terra. A navegação à vela só foi substituída no século XIX com o

surgimento das embarcações movidas à vapor.

1.1.1 Geração dos ventos

A energia eólica é basicamente uma das formas de obtenção indireta da energia

solar. Quando uma região da Terra aquece, a pressão atmosférica nessa região diminui e

o ar eleva-se. Isto cria uma diferença na pressão atmosférica, fazendo com que o ar

envolvente, mais frio, se desloque da área de maior pressão para a área de menor pressão.

Uma vez que a Terra se encontra em rotação o ar é também deslocado pela força de

Coriolis, exceto exatamente na linha do equador. Em termos globais, os dois principais

fatores dos padrões de vento em grande escala (a circulação atmosférica) são a diferença

2

de temperatura entre o equador e os polos (a diferença de absorção de energia solar que

provoca forças de impulsão) e a rotação do planeta. Observa-se na figura 1 os grandes

padrões de circulação atmosférica e as principais bandas de alta e baixa pressões em volta

da terra.

1.1.2 A evolução dos mecanismos de conversão de energia eólica

Os moinhos de vento (Windmills), têm registros desde o fim da dinastia Han (25

– 220 D.C) na China, em tumbas onde foram encontradas imagens requintadas de

moinhos de ventos, provando que têm sido utilizados na China há pelo menos 1800 anos

[1]. Apesar disso, a primeira evidência real de moinhos de vento consta do século IX, e

ficava localizada na região de Sistão, na Pérsia, onde esses moinhos de vento de eixo

Figura 1 – Padrões da circulação atmosférica e as principais bandas de alta e baixa pressões a volta da Terra [13]

3

vertical, eram usados no bombeamento de água e na moagem de grãos. A figura 2, mostra

um registro feito dos moinhos de vento do sistão em 1932 e a figura 3 mostra um registro

recente desses mesmos moinhos, hoje localizados no território pertencentes ao Irã.

Figura 2 – Moinhos de vento do sistão em 1932 [2]

Figura 3 – Moinhos de vento do sistão (Atualmente no território do Irã) [11]

4

Os primeiros registros de moinhos de vento no norte Europeu são do século XII.

Estes moinhos já possuíam um diferencial substancial no design dos moinhos de vento

do Sistão, possuindo eixos horizontais ao invés de verticais. Apesar de precoce, a

mudança no design do rotor dos moinhos de vento, trouxeram um grande avanço

tecnológico no campo dos moinhos de vento, devido ao fato dos moinhos com rotor

vertical serem ineficientes e suscetíveis a falhas em regimes de ventos fortes, além de

serem movidos por força de arrasto. Já os moinhos Europeus com design de rotor

horizontal, tinham as “pás” movidas por forças de sustentação, além de uma melhor

eficiência e maior resistência. Esses novos moinhos europeus, foram utilizados na maioria

das tarefas mecânicas necessárias à época, como a moagem de grãos, bombeamento de

água, serragem de madeiras, dentre outras tarefas. Até o século XVIII, a energia provinda

dos ventos era a principal fonte de energia de toda Europa, mas foi perdendo espaço com

a Revolução Industrial, que trouxe um amplo avanço tecnológico em vários campos e

consequentemente, novas fontes de energia como o carvão [2]. Embora a tecnologia tenha

avançado e a utilização destes moinhos ter sido drasticamente reduzida, ainda são

encontrados moinhos com o mesmo design de séculos atrás em fazendas e regiões rurais,

conforme a figura 4, o que leva a reflexão sobre o quão eficiente eram estes equipamentos,

que resistem e são utilizados até hoje.

Figura 4 - Os Moinhos de Zaanse Schan – Holanda [14]

5

Com o advento da revolução industrial, trazendo o aparecimento de geradores

elétricos, Charles Brush construiu no de 1888, em Cleveland, Ohio, EUA, unindo os

conceitos dos moinhos de vento à criação do gerador elétrico, a primeira turbina eólica

operada automaticamente do mundo, com 144 pás, diâmetro de 17 m e capacidade de

geração de 12 kW [1]. Embora tenha sido o primeiro, o projeto de Charles Brush não

emplacou. Foi Marcellus Jacobs quem desenvolveu o design que é até hoje utilizado, com

eixo horizontal e 3 pás com perfis de aerofólio, como indicado pela figura 5.

A Segunda Guerra Mundial (1939-1945) contribuiu para o desenvolvimento dos

aerogeradores de médio e grande porte, uma vez que os países em geral empenhavam

grandes esforços no sentido de economizar combustíveis fósseis. De uma forma geral,

após a Segunda Guerra Mundial, o petróleo e grandes usinas hidrelétricas se tornaram

extremamente competitivos economicamente, e os aerogeradores foram construídos

Figura 5 – Turbina de Jacobs (1961) [2]

6

apenas para fins de pesquisa, utilizando e aprimorando técnicas aeronáuticas na operação

e desenvolvimento de pás, além de aperfeiçoamentos no sistema de geração.

A crise petrolífera dos anos 70 e, sobretudo o movimento anti energia nuclear nos

anos 80 aumentaram o interesse pelas energias alternativas e intensificaram a

investigação no sentido de encontrar novas formas ecológica e economicamente viáveis

de produção de energia. Com a ajuda de programas de gestão e investigação internacional

financiados pelo governo, bem como da criação de institutos de investigação, na década

de 80, continuaram a ser investigados, desenvolvidos e implementados novos métodos de

produção de energias renováveis. Institutos de investigação, como o Instituto de Energia

Eólica Alemão (DEWI) e o Instituto de Investigação Dinamarquês Risø, bem como vários

programas de investigação e cooperação internacionais no setor da energia eólica,

contribuíram para os avanços industriais e tecnológicos dos pioneiros da energia eólica.

Devido à estreita cooperação entre os institutos de investigação e os pioneiros da energia

eólica, foram desenvolvidos e implementados padrões internacionais, uma

regulamentação precisa e um design cada vez mais eficientes, tendo resultado em parques

eólicos modernos e economicamente viáveis. Com o desenvolvimento da estação de

energia eólica de 55 kW, em 1981, os custos outrora elevados da energia eólica foram

drasticamente reduzidos.

7

1.2 Cenário atual da Energia Eólica

1.2.1 No Mundo

Atualmente, diversos países do mundo já têm em sua matriz energética a energia

eólica como uma das principais fontes de energia renováveis, e o cenário atual e futuro é

que estes países aumentem ainda mais a participação da energia eólica nesse campo,

devido à diversos fatores como o alto custo da produção de energia, a busca pela redução

do aquecimento global e preservação do meio ambiente. Neste sentido, vários países têm

buscado estabelecer incentivos, regulamentando e dirigindo investimentos financeiros

para estimular e alavancar ainda mais a geração de energia eólica. Um marco dessas

regulamentações para reduzir o aquecimento global, foi o Acordo de Paris, aprovado em

12 de dezembro de 2015 que rege medidas de redução de emissão de dióxido de carbono

(CO2) a partir de 2020 [4]. Segundo o relatório global do GWEC (Global Wind Energy

Concil) de 2016 [5], atualmente há uma capacidade de geração de 486,8 GW em todo o

mundo, o que representa um crescimento de aproximadamente 12,6% em relação aos

dados do fim de 2015. Isso representa uma capacidade instalada somente no ano de 2016

de 54 GW de geração de energia eólica, o que é um valor extremamente significativo. Os

gráficos presentes nas figuras 6 e 7, indicam a evolução da capacidade total acumulada e

8

a evolução da capacidade instalada dos últimos 16 anos, mostrando o grande avanço dessa

fonte de energia ao redor do mundo.

Figura 7 – Evolução da capacidade instalada acumulada de energia eólica ano a ano até 2016 [5]

Países como China, Estados Unidos e Alemanha lideram o ranking de capacidade

instalada e capacidade total atualmente, como indicado nos gráficos da figura 8, também

retirados do relatório de [5], mas é valido pontuar a presença de países como Brasil e

Índia, que são países não tão desenvolvidos como os 3 principais, com uma grande

capacidade instalada somente no ano de 2016, e já aparecendo entre os 10 maiores na

produção de energia eólica ao redor do mundo, tendo como destaque a Índia já possuindo

a 4ª maior capacidade de geração de energia eólica do mundo.

Figura 6 – Evolução da capacidade instalada anual de energia eólica ao redor do mundo até 2016 [5]

9

1.2.2 No Brasil

O Brasil é atualmente, um dos países com os melhores recursos eólicos do mundo.

Devido ao extenso território com dimensões continentais e também à grande costa aqui

existente, o ambiente brasileiro se torna extremamente favorável à instalação desse tipo

de fonte de energia, e não há dúvida que isso vem acontecendo em maior escala nos

últimos anos, fazendo com que o Brasil já apareça entre os 10 maiores em capacidade de

geração de energia eólica em todo o mundo.

Segundo o boletim anual de 2016 da Associação Brasileira de Energia Eólica

(ABEEólica) [18], o Brasil tinha em 2015 uma capacidade eólica instalada de 8,73 GW,

o que representava cerca de 5,8% da matriz energética brasileira. A curva da capacidade

Figura 8 – Ranking dos 10 principais países em capacidade instalada anual e em capacidade instalada total em 2016 [5]

10

instalada da fonte eólica demonstra o crescimento quase que exponencial no decorrer dos

anos, como se pode observar no gráfico da figura 9, que também faz uma previsão do

cenário ano após ano até 2020, indicando um crescimento mais de 100% na capacidade

instalada atual. Além disso, pode-se observar que somente as novas instalações no ano de

2016 representaram cerca de 20% da capacidade instalada acumulada, mostrando o

crescimento notável do setor neste ano e ratificando a tendência de crescimento para os

próximos anos.

Segundo dados do Global Wind Report de 2016 [5], o Brasil fechou o ano de 2016

com uma capacidade instalada acumulada de 10,74 GW e teve 2,01 GW de capacidade

instalada adicionada neste ano, contabilizando cerca de 947 turbinas de geração e

empregando cerca de 30.000 novas pessoas somente no setor industrial eólico. Além

disso, as líderes no mercado de energia eólica brasileiro são, segundo o relatório: CPFL

Renováveis, Renova, Cubico and Contour Global, Eletrosul e Enel Green Power com

37% de capacidade total. Os 3 principais fabricantes com cerca mais de 50% de Market

Share no mercado eólico brasileiro no ano de 2016 foram GE, Gamesa e Wobben

Enercon.

Figura 9 - Evolução da capacidade instalada no Brasil com previsão até 2020 [18]

11

Observa-se uma maior representatividade na produção de energia eólica brasileira no

estado do Rio Grande do Norte, sendo também o estado com o maior número de fazendas

de geração de energia eólica, conforme a tabela da figura 10 indica.

1.3 Vantagens e desvantagens da utilização da Energia Eólica

O emprego da energia eólica como fonte de energia renovável, tem inúmeras

vantagens face às energias tradicionais e também frente a outros tipos de energias

renováveis, em função do seu maior desenvolvimento.

Uma das maiores vantagens, e talvez a que mais estimule o emprego deste tipo de fonte

de energia, é fato de ser uma fonte de energia que não gera gases poluentes no processo

de geração de energia, e isso deve ser encarado como um fator chave nos tempos atuais,

onde se busca a redução de emissão de poluentes, principalmente CO2 devido ao impacto

do mesmo no aquecimento global. Isso estimula os países que a utilizam a aumentar seu

papel na matriz energética, pois ajuda no cumprimento das metas estabelecidas com o

Protocolo de Quioto (1997), gerando um crédito de emissão de gases do efeito estufa que

acabam sendo empregados em outros setores da economia. Além disso, o investimento

no setor acaba resultando na geração de muitos empregos e investimento em regiões

Figura 10 – Ranking dos principais estados brasileiros em capacidade instalada de energia eólica [5]

12

menos favorecidas. Por fim, por ser uma das fontes de energia mais baratas acaba sendo

competitiva no quesito rentabilidade, comparado às fontes de energia tradicionais, sendo

preferida ao uso de combustíveis fósseis, por exemplo.

Embora tenha inúmeras vantagens, além das principais citadas anteriormente, existem

também fatores que são postos como contrapontos no emprego da energia eólica. Um

deles é a intermitência dos ventos, o que torna difícil a integração da produção por meio

dessa tecnologia. Outra desvantagem é o impacto socioambiental da aplicação dos

aerogeradores que geram um grande impacto visual, além de produzir grande ruído

constante enquanto está gerando energia, fazendo com que só sejam permitidas

habitações à pelo menos 200 metros de distância dos mesmos, afetando muitas vezes a

vida de quem reside na região. Além disso, a instalação dos aerogeradores ou parques

eólicos pode afetar o comportamento habitual animais da fauna local devido à produção

de ruídos, como já foi citado anteriormente.

1.4 Motivação

A motivação para a realização deste projeto veio das grandes possibilidades de

aplicação dos aerogeradores no cenário atual da energia elétrica brasileira, que tem

buscado a diversificação da sua matriz energética e que tem ao seu lado uma geografia

favorável ao emprego deste tipo de energia. Além disso, a busca por fontes renováveis

representa o futuro não só da energia, mas da humanidade que é a principal vítima do uso

de fontes não renováveis e emissora de poluentes, que acabam devastando os

ecossistemas, aumentando os efeitos do aquecimento global e colocando as vidas em

risco. Tendo em mente isso, optou-se pelo projeto de um aerogerador pelo impacto

sustentável do mesmo na geração de energia no cenário atual e pela importância desse

tipo de tecnologia no campo da Engenharia Mecânica.

13

1.5 Objetivo

O objetivo deste trabalho, será projetar e dimensionar um aerogerador de uso

comercial de pequeno porte que possa ser empregado principalmente nas residências e

habitações de baixo custo, como por exemplo as do programa “Minha Casa, Minha Vida”

do governo federal ou residências comuns localizadas principalmente ao longo da costa

leste brasileira ou em regiões que atendam as condições de projeto, devido ao fato de que

nem todos os locais dessas habitações tem condições de ventos necessárias para prover a

eficiência do mecanismo que gere o retorno estimado neste projeto.

Assim as famílias de baixa renda que usualmente ocupem estas residências,

economizariam uma parte ou todo o dinheiro que é gasto com energia e isso traria uma

folga maior no seu orçamento, possibilitando o uso do dinheiro para outros fins e também

trazendo benefícios para a economia brasileira, visto que além disso o próprio governo

economizaria com os gastos para suprir altas demandas energéticas em regimes de pico

ou de estiagem, visto que muitas residências não dependeriam das gerações de grandes

usinas hidrelétricas ou termoelétricas.

Há de se destacar que o principal resultado social esperado ao fim deste trabalho

será garantir melhores condições para os projetos do programa Minha Casa, Minha Vida,

visto que o impacto buscado na vida dessas pessoas não será somente financeiro, mas

também de conscientização pelo uso de fontes limpas de energia, mostrando a

importância da sua empregabilidade e além disso o retorno que ela traz para as vidas das

pessoas.

14

2 AEROGERADORES

Os aerogeradores, também conhecidos como turbinas eólicas, são os equipamentos

responsáveis em transformar a energia cinética dos ventos em energia elétrica.

Atualmente existem diversos tipos diferentes de aerogeradores eólicos, sendo os

principais grupos classificados quanto a orientação do seu eixo: Turbinas Eólicas de Eixo

Vertical (VAWT) e Turbinas Eólicas de Eixo Horizontal (HAWT).

Ao longo do tempo, o avanço tecnológico e a necessidade de diversificação da matriz

energética, alavancou o tamanho dos aerogeradores empregados para a geração de energia

limpa, como se pode observar na figura 11 que descreve a evolução do tamanho dos

aerogeradores ao longo do tempo.

2.1 Tipos de aerogeradores

2.1.1 Eixo Vertical

Os aerogeradores de eixo vertical são aqueles os quais o eixo de rotação está

perpendicular ao solo. São menos eficientes que os de eixo horizontal na conversão de

Figura 11 – Evolução do tamanho dos diâmetros do rotor ao longo do tempo [17]

15

energia dos ventos em energia elétrica. Além disso grande parte desse tipo de

equipamento necessita de uma fonte de energia externa para iniciar a sua rotação.

Entretanto, possuem como vantagem a aceitação do vento vindo de qualquer direção e

sob regimes turbulentos, sem a necessidade de nenhum mecanismo de orientação, e seus

equipamentos básicos como a caixa de multiplicação de velocidades, gerador e freio

podem ser posicionados no chão simplificando o design de suas torres e reduzindo o seu

custo. Muitos designs deste tipo de aerogerador foram produzidos ao longo dos anos, mas

pode-se citar como principais tipos os de rotor do tipo Savonius e Darrieus,

respectivamente.

Os rotores do tipo Savonius, como mostrado na figura 12, são simples e movidos

pela força de arrasto causada pelo ar, girando o eixo vertical central. Seu rendimento,

porém, é considerado baixo, já que o máximo encontrado é de cerca de 20%, conforme

indicado na figura 22.

Figura 12 – Rotor Savonius [2]

16

Já os rotores do tipo Darrieus, como mostrado na figura 13, são constituídos por

duas ou três hélices e conseguem atingir rendimentos maiores que os do tipo Savonius,

chegando a cerca de 40%, conforme indicado pela figura 22. Seu princípio de

funcionamento se dá através das forças de sustentação agindo sobre suas pás, que geram

um torque e giram seu eixo vertical.

2.1.2 Eixo Horizontal

Este tipo de aerogerador é o mais utilizado na atualidade, muito devido ao fato de

alcançarem um rendimento maior que os modelos de eixo vertical. Seu torque é gerado

pelas forças de sustentação do ar. Sua configuração mais utilizada é a de até três pás, mas

podem ter mais do que este número, sendo chamados de multipás. Este tipo de

configuração tripá é a mais utilizada devido a melhor relação entre coeficiente de

potência, custo e velocidade de rotação. Além disso, tem uma estética melhor se

comparado aos aerogeradores multipás. Devido à todas estas vantagens anteriormente

citadas, os aerogeradores de Eixo Horizontal, são os mais empregados comercialmente

na atualidade.

Figura 13 – Variações de modelos de rotor Darrieus [24]

17

Os aerogeradores de eixo horizontal, podem ser divididos em duas categorias:

Upwind e Downwind. A categoria denominada Upwind, o vento sopra pela parte frontal,

as pás são rígidas e o rotor é orientado segundo a direção do vento através de um

dispositivo motor. Já no modelo Downwind, o vento sopra pela retaguarda das pás, o rotor

é flexível e auto orientável. As duas configurações são mostradas na figura 14.

A grande maioria dos aerogeradores atualmente utilizam a configuração “upwind”. Além

disso, a maneira mais utilizada no projeto e montagem dos aerogeradores de eixo

horizontal é a instalação da turbina no topo do aerogerador, por apresentar melhores

resultados para potências altas além de prover maior estabilidade e exigir um menor

esforço para manobras menores.

A altura da torre tem importância adicional, já que é preciso elevar o rotor acima

da camada limite, para obter-se um escoamento de corrente livre laminar e bem

desenvolvido. O diâmetro do rotor também é extremamente importante, já que a potência

gerada depende de sua área.

Figura 14- Representação dos rotores Downwind e Upwind em relação a direção do vento [25]

18

2.2 Capacidade de geração de um aerogerador de eixo horizontal

Como os aerogeradores geram energia a partir da conversão da energia dos ventos,

para a avaliação da capacidade de geração de um aerogerador de eixo horizontal é preciso

avaliar a potência do vento disponível.

A energia cinética de uma massa de ar em movimento pode ser determinada pela seguinte

expressão, onde m é a massa de ar em movimento e �� a velocidade do ar:

Ec =1

2mu2

A potência disponível pode ser então obtida a partir da diferenciação da energia cinética

em relação ao tempo, ou seja:

𝑃 =𝑑𝐸

𝑑𝑡=

1

2mu2

Mas a massa de ar que flui pela área das pás do aerogerador pode ser obtida da seguinte

expressão:

�� = 𝜌𝐴��

Onde é a densidade do ar e A é a área varrida pelas pás do aerogerador, como indicado

pela figura 15.

Figura 15 – Representação da área varrida pelas pás do aerogerador horizontal [1]

19

Portanto a expressão para a potência disponível em função das características do

vento e do aerogerador de eixo horizontal fica da seguinte maneira:

𝑃 =1

2𝜌𝐴u3

2.3 A Lei de Betz

Publicada pelo físico alemão Albert Betz por volta de 1919, a lei de Betz determina

que a fração máxima de energia que pode ser aproveitada em uma turbina eólica é de

16/27 (59,3%). Este limite nada tem a ver com ineficiências no gerador, mas sim com a

própria natureza das turbinas eólicas. Para um aerogerador ser 100% eficiente precisaria

provocar uma parada total na massa de ar em deslocamento, mas nesse caso em vez de

pás seria necessária uma massa sólida cobrindo 100% da área de passagem e o rotor não

rodaria e não converteria a energia cinética em mecânica.

2.4 Rendimento de um aerogerador real

Embora a Lei de Betz forneça a capacidade máxima teórica possível do rendimento

de um aerogerador, é de conhecimento que outros fatores fazem com que este rendimento

diminua ainda mais em aerogeradores reais. Na prática, há três principais:

Rendimento Mecânico - 𝜂𝑚𝑒𝑐

Rendimento do Rotor - 𝜂𝑟𝑜𝑡

Rendimento do Gerador - 𝜂𝑔

Logo, a expressão final para o cálculo da capacidade de geração de um aerogerador de

eixo horizontal será:

𝑃𝑒 =1

2𝜌𝐴u3. 𝜂𝑚𝑒𝑐 . 𝜂𝑟𝑜𝑡. 𝜂𝑔

20

2.5 Configuração de um aerogerador de Eixo Horizontal

Os aerogeradores de eixo horizontal, seguem normalmente, uma configuração

conforme mostra a figura 16. Embora a imagem mostre diversos componentes presentes,

é importante se conhecer os mais relevantes para o projeto de um aerogerador desse

modelo.

Pás do rotor – Responsáveis por receber a energia eólica do vento e rotacionar

o eixo do rotor, transformando essa energia em energia rotacional

Eixo do Rotor – Responsáveis por receber a energia das pás do rotor e

transmiti-la ao multiplicador de velocidades, em forma de energia rotacional.

Multiplicador de Velocidades – Responsáveis por multiplicar a velocidade

recebida através do eixo do rotor para o eixo do gerador elétrico.

Gerador Elétrico – Responsável por transformar a energia rotacional recebida

em energia elétrica através de eletromagnetismo.

Freio – Atuam em caso de falha no sistema ou sobrecarga de energia, detendo

a rotação do eixo.

Nacele – Carcaça que abriga os componentes

Torre de sustentação – Sustenta o rotor e a nacele, além de erguer todo o

conjunto a uma altura onde as pás possam girar com segurança e distantes do

solo.

21

Figura 16 – Representação dos principais componentes dos aerogeradores de eixo horizontal [18]

22

3 PROJETO E DIMENSIONAMENTO

3.1 Análise das condições iniciais

Para uma abordagem sobre as condições iniciais do vento, levou-se em conta a

possibilidade da aplicação do aerogerador a ser projetado, em todo o território brasileiro.

Conforme o “Atlas do Potencial Eólico Brasileiro”[26], a figura 17 mostra o mapa com

as médias anuais da velocidade dos ventos no Brasil a uma altura de 50 metros do solo.

Observando o mapa da figura 17, é fácil perceber que as regiões mais propícias à

instalação dos aerogeradores, são as regiões Sul, Sudeste e Nordeste. É um fato, que todas

estas regiões, possuem uma grande faixa costeira, onde os ventos costumam ser mais

fortes que regiões mais distantes da costa.

Figura 17 - Mapa da distribuição dos ventos ao longo do território brasileiro [26]

23

Olhando mais afundo cada região, conforme as figuras 18, 19 e 20, também retiradas de

[26], pode-se fazer algumas considerações sobre as condições iniciais do projeto, focando

nas áreas onde o potencial eólico é maior.

Figura 19 - Mapa da distribuição dos ventos na região Sul do Brasil [26]

Figura 19 - Mapa da distribuição dos ventos na região Sudeste do Brasil [26]

Figura 20 - Mapa da distribuição dos ventos na região Nordeste do Brasil [26]

24

Velocidade média dos ventos na altura de referência: 𝑈𝑟𝑒𝑓 = 9 𝑚/𝑠

Altura de Referência: 𝑧𝑟𝑒𝑓 = 50𝑚

Correlação do expoente da lei de potência em função da velocidade e altura

de referência [3]:

𝛼 =0.37 − 0.088 ln(𝑈𝑟𝑒𝑓)

1 − 0.088 ln (𝑧𝑟𝑒𝑓

10 )= 0,206

Lei de potência do vento para o perfil vertical (forma básica):

𝑈(𝑧) = 𝑈𝑟𝑒𝑓 (𝑧

𝑧𝑟𝑒𝑓)

𝛼

O gráfico da figura 21, representa a distribuição de velocidades dos ventos em função

da altura, conforme a lei de potência dos ventos e os parâmetros calculados

anteriormente:

Figura 21 – Gráfico de distribuição de velocidade dos ventos em função da altura

25

Baseando-se no gráfico da figura 21, apresentado para a distribuição de

velocidades em função da altura, levando em conta que velocidades acima de 7 m/s são

consideradas boas para ambientes de geração de energia eólica, e considerando que para

o projeto não se deseja uma torre com uma altura grande demais que torne complicada a

instalação, a escolha dos parâmetros iniciais os quais o projeto seguirá, ficaram da

seguinte maneira:

Velocidade de projeto – 𝑈 = 7 𝑚/𝑠

Altura de projeto – 𝑧 = 15 𝑚

Agora que já foi definido a velocidade de projeto e a altura de projeto, é preciso estimar

os parâmetros do rotor. Como o aerogerador em questão é para uso comercial, e não exige

uma geração grande de energia, define-se a capacidade de geração esperada do

equipamento como sendo pouco acima de 1,0 kW.

Baseado em dados teóricos, como citado em [1], estima-se que aerogeradores comerciais

comuns, que não dispõem de tecnologias de ponta na produção dos seus aerofólios,

tenham um coeficiente de potência de aproximadamente 45%. Além disso, pode-se

estimar o rendimento mecânico do mecanismo por volta de 90%.

Logo, para estimar o diâmetro do rotor do projeto, será utilizado um coeficiente de

potência rot = 45% e para o rendimento mecânico mec = 90%. Na condição padrão,

conforme informado por [6] tem-se que:

𝜌𝑎𝑟 = 1,23 𝑘𝑔

𝑚³⁄ 𝜇𝑎𝑟 = 1,79 𝑥 10−5

𝑘𝑔

𝑚. 𝑠

Sabe-se que a área da seção do rotor em função do seu diâmetro é de:

26

𝐴 =𝜋𝐷2

4

Além disso, será desconsiderado o rendimento do gerador, devido ao fato de que o

fabricante já fornece a capacidade de geração incluindo as perdas da máquina. Com isso,

utilizando a equação abordada no item 2.4 deste trabalho:

𝑃𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 =1

2𝜌

𝜋𝐷2

4U3. 𝜂𝑟𝑜𝑡. 𝜂𝑚𝑒𝑐 . 𝜂𝑔

Logo:

𝐷 = √8 . 𝑃𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

𝜋 . 𝜌. U3. 𝜂𝑚𝑒𝑐 . 𝜂𝑟𝑜𝑡= 3,86 𝑚

Com a intenção de facilitar os cálculos e o possível projeto futuro do rotor, define-se que

o diâmetro do rotor será de 4,0 metros.

Resumindo as condições iniciais do projeto:

Velocidade do vento: 7 m/s

Altura da torre: 15 m

Diâmetro do rotor: 4 m

Número de pás: 3 pás

27

3.2 Cálculo da potência do rotor

De posse dos dados fornecidos anteriormente, é dado prosseguimento para o cálculo

da potência do rotor. Utilizando a equação apresentada anteriormente em 2.4 e

desconsiderando o rendimento do gerador para fins de diminuir a complexidade dos

cálculos, estima-se a potência do rotor como:

𝑃 =1

2𝜌

𝜋𝐷2

4U3. 𝜂𝑟𝑜𝑡. 𝜂𝑚𝑒𝑐

𝑃 = 1073,58 𝑊

3.3 Aerodinâmica do Rotor

Um dos parâmetros mais importantes no processo de dimensionamento do

aerogerador é a definição da razão de velocidades na ponta da pá, também conhecida

como Tip Speed Ratio (TSR). Apesar da utilização da bibliografia para estimar o

coeficiente de potência do rotor como sendo 45%, este parâmetro está diretamente

relacionado ao TSR. O TSR depende fortemente do número de pás do aerogerador

Figura 22 – Gráfico da relação entre TSR x Cp x Número de pás de um aerogerador [3]

28

também e por isso, obeserva-se no gráfico da figura 22, a relação entre o TSR, o

coeficiente de potência e o número de pás do aerogerador.

Nota-se que para um aerogerador tripá e um coeficiente de potência definido de 45%,

tem-se um TSR de:

𝜆 = 6

3.3.1 Seleção do perfil das pás

Para a seleção do perfil das pás foi considerado principalmente a maior razão

possível das forças de sustentação e de arrasto, isso porque como o tipo do aerogerador

em questão é horizontal, seu princípio de funcionamento se baseia nas forças de

sustentação principalmente, logo entende-se a importância de a mesma ser muito maior

que as forças de arrasto. Analisando os parâmetros de projeto, e conforme sugerido em

[3], chegou-se à conclusão que para o modelo de rotor de 3 pás utilizado, com um rotor

com diâmetro inferior a 10 m, o aerofólio mais recomendado seria do modelo NACA

44xx. Utilizando as recomendações bibliográficas de [1] para aerogeradores eólicos de

pequeno porte, foi escolhido um perfil que proporcionasse uma alta razão de sustentação

por arrasto, além de uma espessura ideal para que o aerofólio tenha uma resistência segura

para aplicação neste projeto. Para simplificar o projeto e tornar a fabricação mais fácil,

além de reduzir os custos do mesmo, foi adotado um ângulo de passo e corda constantes

ao longo da pá. Logo, dentre os perfis disponíveis, optou-se pela escolha do NACA 4421.

Outro parâmetro extremamente importante no dimensionamento das pás é a solidez, que

é definida como a razão entre a área sólida ocupada pelas pás e a área molhada ocupada

pelo aerogerador. A solidez pode ser extraída através de uma relação direta com o TSR,

29

o qual sebe-se ser igual a 6 para o projeto das pás deste projeto. Pode-se extrair então a

solidez das pás baseando-se no gráfico da figura 23.

Assim, encontra-se que:

𝜎 = 8%

De posse da solidez encontrada, calcula-se então a corda das pás do aerogerador.

Este valor é definido como a distância entre o bordo de ataque e o bordo de fuga, conforme

Figura 24 – Representação do corte transversal da pá de um aerogerador com suas principais medidas [9]

Figura 23 - Gráfico que relaciona TSR x Solidez x Número de pás de um aerogerador [3]

30

mostrado na figura 24. Para este cálculo, o diâmetro do bosso (reservado para a fixação

das pás) utilizado neste projeto será de 10% do diâmetro do rotor.

𝑐 =𝜎. 𝜋. 𝑅2

𝑁º𝑝á𝑠. (𝑅 − 𝑟(𝑏𝑜𝑠𝑠𝑜))= 0,186 𝑚

Conhecendo o diâmetro do rotor, e a velocidade de projeto, estima-se a velocidade

tangencial do rotor:

𝑈𝑡 = 𝑈. 𝜆 = 42 𝑚/𝑠

Então, a velocidade angular do rotor pode ser encontrada fazendo-se:

𝜔 =𝑈𝑡

𝑅=

𝑈𝑡

(𝐷2⁄ )

= 21𝑟𝑎𝑑

𝑠

Pode-se então calcular o ângulo de escoamento utilizando os dados referentes a

velocidade do vento e da velocidade linear do rotor.

𝜑 = tan−1 (𝑈

𝜔𝑅) = tan−1 (

7 𝑚/𝑠

38,5 𝑚/𝑠) = 9,46°

Seguindo a recomendação de [6], é calculado o número de Reynolds para o escoamento

do ar sobre as pás:

𝑅𝑒 =𝜌𝑎𝑟 . 𝑈. 𝑐

𝜇𝑎𝑟≅ 89548

Definido o número de Reynolds utilizou-se a ferramenta Airfoil Tools [7] para determinar

o ângulo de ataque para o projeto que trouxesse a maior razão entre os coeficientes de

sustentação e arrasto, que é o que se deseja para este projeto, sendo possível também obter

os valores destes coeficientes, para o ângulo determinado. Além disso, também foi

possível obter o perfil da pá para o modelo NACA 4421. As figuras 26, 27 e 28 trazem

os gráficos do coeficiente de sustentação e coeficiente de arrasto para o número de

31

Reynolds e o ângulo de ataque encontrado, além do perfil do modelo escolhido para o

aerofólio.

Figura 25 - Gráfico do coeficiente de sustentação x ângulo de ataque do aerofólio NACA 4421[7]

Figura 26 - Gráfico do coeficiente de arrasto x ângulo de ataque do aerofólio NACA 4421 [7]

Figura 27 - Representação de uma seção do perfil NACA 4421 [7]

32

A análise dos gráficos anteriores para o modelo de aerofólio escolhido, na busca

da obtenção de um alto coeficiente de sustentação para um baixo coeficiente de arrasto,

utilizando o número de Reynolds aproximado obtido, chegou-se aos coeficientes e um

ângulo de ataque iguais a:

𝛼 = 5,5𝑜 𝐶𝑙 = 0,95 𝐶𝑑 = 0,022

Logo, o ângulo de passo será:

𝛽 = 𝜑 − 𝛼 = 3,96𝑜

3.3.2 Cálculo dos esforços no sistema

De posse de todas as informações obtidas através de cálculos e de fontes de

consulta, deve-se calcular a força axial e o torque no plano do rotor que são indispensáveis

para o dimensionamento de outros componentes do aerogerador. Com isso, como foi

adotada a premissa de que o perfil aerodinâmico da pá será constante ao longo de todo o

raio do rotor em questão, será utilizada a teoria de Glauert para os cálculos da Força axial

e do Torque gerados no rotor e representados na figura 28.

Figura 28 - Representação das forças do sistema

33

3.3.2.1 Força Axial

Com as informações anteriormente obtidas, pode-se obter a força axial partir de:

𝐹𝑎 =1

2 𝜌. 𝑊2. 𝑛𝑝. 𝑐. (𝐶𝐿 . cos 𝜑 − 𝐶𝐷 . sen 𝜑)(𝑅 − 𝑟(𝑏𝑜𝑠𝑠𝑜))

Onde W é a velocidade relativa do vento, calculada por:

𝑊 = √𝑈2 + (𝜔𝑅)2 = √(7)2 + (38,5)2 = 39,13 𝑚/𝑠

Logo:

𝐹𝑎 = 1054 𝑁

3.3.2.2 Torque

Para o cálculo do torque também utilizando a teoria de Glauert:

𝑇 =1

4 𝜌 𝑊2 𝑛𝑝. 𝑐 . (𝐶𝐿 . sen 𝜑 − 𝐶𝑑. cos 𝜑). (𝑅2 − 𝑟(𝑏𝑜𝑠𝑠𝑜)

2)

Logo:

𝑇 = 165,8 𝑁. 𝑚

3.4 Projeto e design dos componentes

3.4.1 Projeto das Pás do Rotor

O material escolhido para a carenagem das pás do aerogerador, foi a fibra de vidro

que tem boa durabilidade, resistência a corrosão e também uma boa resistência mecânica.

Para dar uma maior sustentação as pás e aumentar a resistência aerodinâmica, a pá terá

uma haste de sustentação que percorrerá quase toda a pá dando maior resistência ao

elemento. Essa haste ficará alocada em um furo transversal na pá que permitirá a

34

instalação da haste. Além disso, para ajudar a alocar a haste foi escolhido um material

para preencher o interior da pá que foi uma espuma de poliuretano rígida.

A base da haste terá um flange para poder realizar o acoplamento no hub. Este flange será

fixado ao hub por meio de 7 parafusos modelo M10x1,5x50, através de um furo roscado

no hub. Além disso, a haste entrará em um furo guia para deixar as pás corretamente

alinhadas ao encaixe.

3.4.1.1 Dimensionamento da Haste

Para o material da haste, foi selecionado o aço AISI 4130 temperado e revenido a

205 ºC. No processo de dimensionamento, foi feita a análise de dois tipos de forças

atuantes nas pás que foram as forças de sustentação e o próprio peso do conjunto. Para o

dimensionamento do diâmetro da haste, foram calculados os diâmetros mínimos

encontrados através do critério estático da Máxima Energia de Distorção e do Critério

dinâmico de Soderberg, que serão detalhados no item 3.4.3.1.2.1 no dimensionamento do

eixo do rotor. O coeficiente de segurança utilizado para o dimensionamento foi igual a 2.

- Critério Estático da Máxima Energia de Distorção

𝑑 = 20,0 𝑚𝑚

- Critério Dinâmico de Soderberg

𝑑 = 33,6 𝑚𝑚

Logo, a haste foi dimensionada com 34 mm de diâmetro para resistir aos esforços

e o posicionamento da mesma foi a cerca de ¼ do comprimento da corda da pá, de modo

a se encaixar no espaço no interior da carenagem da pá.

Tensão de ruptura do aço: 𝑆𝑢𝑡 = 1770 𝑀𝑃𝑎

35

Tensão de escoamento do aço: 𝑆𝑦 = 1640 𝑀𝑃𝑎

Peso do conjunto Haste/Pá: 𝑃𝑝á = 223,1 𝑁

A força normal atuante no conjunto pode ser expressa por:

𝐹𝑁 =1054

3= 351,5 𝑁

Como forma de facilitar os cálculos e ter um processo mais preciso no traço dos

diagramas, optou-se por utilizar o auxílio do software MD Solids 4.0. A haste foi

considerada uma viga engastada em uma das extremidades com a força normal

concentrada na outra extremidade. Os diagramas da figura 29 mostram os diagramas de

esforço cortante e momento fletor para a haste submetida a força normal na sua

extremidade.

Figura 29 – Representação gráfica do esforço cortante e do momento fletor em relação a força normal sobre a haste

36

Logo o Momento Fletor Máximo e o Esforço Cortante Máximo encontrados,

considerando as forças de sustentação foram:

𝑀𝐹𝑆= 632,7 𝑁. 𝑚

𝐹𝐶𝑆= 351,5 𝑁

Para o cálculo considerando o peso próprio do conjunto, também foi utilizado o software

MD Solids 4.0 e os cálculos foram análogos a situação anterior, nesse caso sendo

considerado o peso distribuído ao longo da haste, conforme indicado nos diagramas da

da figura 30 mostram os diagramas de esforço cortante e momento fletor para a haste

devido ao peso próprio da mesma.

Figura 30 - Representação gráfica do esforço cortante e do momento fletor em relação a força peso na haste

37

Assim foi encontrado:

𝑀𝐹𝑃𝑒𝑠𝑜= 200,78 𝑁. 𝑚

𝐹𝐶𝑃𝑒𝑠𝑜= 223,09 𝑁

Para o cálculo das tensões normais e cisalhantes atuantes utilizou-se:

𝜎 =32 𝑀

𝜋𝑑3 𝜏 =

4 𝐹

𝜋𝑑2

Com isso obteve-se para o peso e para as forças de sustentação:

𝜎𝑆 =32 𝑀𝐹

𝜋𝑑3= 163,97 𝑀𝑃𝑎 𝜏𝑆 =

4 𝐹𝐶

𝜋𝑑2= 0,39 𝑀𝑃𝑎

𝜎𝑃𝑒𝑠𝑜 =32 𝑀𝐹𝑃𝑒𝑠𝑜

𝜋𝑑3= 52,03 𝑀𝑃𝑎 𝜏𝑃𝑒𝑠𝑜 =

4 𝐹𝐶𝑃𝑒𝑠𝑜

𝜋𝑑2= 0,25 𝑀𝑃𝑎

Somando-se então as tensões cisalhantes e normais:

𝜎𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 163,97 + 52,03 = 216 𝑀𝑃𝑎

𝜏𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0,39 + 0,25 = 0,64 𝑀𝑃𝑎

É possível encontrar então a tensão de Von-Mises:

𝜎𝑉𝑀 = √𝜎𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙2 + 3𝜏𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙

2 = 216 𝑀𝑃𝑎

E usando o mesmo critério, o fator de segurança será:

𝐶𝑆𝑉𝑀 =𝑆𝑦

𝜎𝑉𝑀= 7,6

38

Logo, as dimensões que foram assumidas e calculadas no projeto da haste atendem as

condições de operação à qual ela está submetida.

3.4.2 Projeto do Hub

O hub é uma peça de extremamente importante no projeto do aerogerador, pois

tem a função principal de fazer a fixação das pás e conectar o eixo de entrada do

aerogerador as pás. É uma peça que precisa ser bastante resistente devido as forças as

quais as pás que estão fixadas a ele estão submetidas, com isso foi escolhido para o

material do mesmo o Ferro Fundido devido ao fácil processo de fabricação e menor custo

também. Um design feito com o auxílio do software Solidworks, é mostrado na figura 31.

Figura 31 – Design do hub retirado do Solidworks

39

A análise de Von Mises via software Solidworks, utilizando-se a aplicação

Simulation Express, conforme indicado na figura 32, mostrou que Hub projetado está

dentro dos parâmetros esperados e não há regiões críticas de falha, como se pode observar

abaixo, dando a segurança de que o projeto irá resistir as condições de operação.

Figura 32 – Análise de Von Mises utilizando o Solidworks Simulation Express

A fixação das pás ao hub será feita por meio de 7 parafusos igualmente espaçados

na base da pá do aerogerador. É importante ressaltar que os furos de fixação das pás, estão

com uma defasagem igual ao ângulo de ataque de projeto do aerogerador, que é de 5,5º,

para que as pás sejam fixadas já na posição adequada de operação. Os dados resumidos

do hub como seu peso e material, estão mostrados logo abaixo:

Material - Ferro Fundido

Peso – 14,7 kg

40

3.4.3 Projeto do Sistema de transmissão

O sistema de transmissão do aerogerador, engloba todos os componentes que

fazem a transmissão da potência desde as pás até o gerador elétrico. Dentro desse sistema,

estão presentes diversos componentes como eixos, mancais/rolamentos, chavetas,

engrenagens, freios, acoplamentos, dentre outros.

Como forma de tornar a representação do esquema de transmissão mais fácil de entender,

optou-se por seguir a representação e projetos dos componentes de forma lógica, sendo

apresentados conforme o fluxo de transmissão de potência, exceto as engrenagens que

foram dimensionadas antes dos outros componentes, pois são bastante importantes no

dimensionamento de alguns componentes chave, já que dependem diretamente dos

esforços da transmissão dos engrenamentos.

Além disso, é importante ressaltar, que os anéis de retenção e as ranhuras dos eixos foram

dimensionados conforme a norma AISI, e selecionados conforme especificação dos

fabricantes.

3.4.3.1 Esquema de transmissão

A velocidade de projeto para o aerogerador anteriormente calculada e o torque no

eixo de entrada e no eixo do rotor são:

𝜔 = 21 𝑟𝑎𝑑

𝑠= 200,5 𝑟𝑝𝑚

𝑇 = 165,8 𝑁. 𝑚

A velocidade nominal do eixo de saída deve ser de 1800 rpm para que ele entregue a

potência nominal para a qual o gerador elétrico foi projetado. Deve-se encontrar a razão

de transmissão total fazendo:

41

𝑖 =𝑛𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟

𝑛𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟=

1800

200,5= 8,98

Visto que a razão de transmissão é muito grande, será feita uma transmissão em dois

estágios, com a mesma razão de transmissão, podendo ser calculado da seguinte maneira:

𝑖1 = 𝑖2 = √𝑛𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟

𝑛𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟= 3

Neste passo do projeto, havia a opção de escolher um multiplicador de velocidades

comercial, para facilitar o projeto do aerogerador e também reduzir os custos de projeto,

visto que a fabricação especializada de peças como eixos e engrenagens especiais, pode

tornar o custo deste projeto muito além do que o esperado anteriormente.

Com isso, foi feito uma pesquisa de mercado, buscando encontrar caixas de

multiplicadores de velocidade que atendessem as condições do projeto e barateassem o

custo de fabricação do aerogerador para facilitar o processo de produção. Como foi não

foi encontrado nenhum multiplicador que atendesse as condições acima especificadas,

prosseguiu-se pelo caminho tradicional, onde foram dimensionadas todas as peças do

esquema de transmissão, ilustrado pela figura 33.

Figura 33 - Esquema de transmissão do aerogerador

42

3.4.3.1.1 Dimensionamento das engrenagens

Para o projeto em questão serão selecionadas engrenagens de dentes retos com

ângulo de pressão igual a 20º. Com isso, segundo recomendação da AGMA o número

mínimo de dentes do pinhão é de 18. Como forma de reduzir os esforços no sistema e

depois de algumas interações, foi escolhido:

𝜃 = 20𝑜

𝑧𝑝 = 24

Utilizando a razão de transmissão escolhida, o número de dentes da coroa será:

𝑧𝑐 = 72

A velocidade de rotação do eixo intermediário e do eixo de saída, pode ser calculada

fazendo:

𝑛𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 = 𝑛𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟𝑖1 = 601,5 𝑟𝑝𝑚 𝑛𝑠𝑎í𝑑𝑎 = (𝑛𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟𝑖1)𝑖2 = 1804,5 𝑟𝑝𝑚

Foi obtido também os valores dos torques nos eixos intermediário e de saída.

𝑇𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟𝑛𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝑇𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 𝑇𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 = 55,3 𝑁. 𝑚

𝑇𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 = 𝑇𝑠𝑎í𝑑𝑎𝑛𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑇𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 18,4 𝑁. 𝑚

O material escolhido para as engrenagens de dentes retos a serem dimensionadas foi o

aço AISI 1050 temperado e revenido a 205ºC. O principal critério de escolha foram os

altos coeficientes limites de escoamento e ruptura. Além disso, a engrenagem de dentes

retos terá acabamento retificado, devido a precisão e boa aplicabilidade para a condição

de operação em questão. Os dados do material escolhido, estão abaixo:

43



Dureza Brinell: 𝐻𝐵 = 514

Depois de algumas interações no projeto das engrenagens, foram escolhidos o módulo e

a largura da face, que são expostos e explicados a seguir:

Módulo das engrenagens - 𝑚 = 2

Largura da face - 𝐹 = 25 𝑚𝑚

O módulo 2 foi escolhido pois, depois de algumas interações e da seleção da largura da

face que foi escolhida baseada segundo o critério da AGMA que relaciona a largura da

face ao passo da engrenagem, onde:

3. 𝑝 ≤ 𝐹 ≤ 5. 𝑝

Com isso, para a largura da face escolhida, os módulos que atendiam as condições de

operação poderiam ser 1,5 ou 2. Foi escolhido o módulo 2 com o intuito de obter uma

maior resistência aos esforços atuantes no sistema, além disso proporcionou também uma

redução da força tangencial atuante no engrenamento.

Com isso, o dimensionamento das engrenagens foi feito com base no critério de tensão

AGMA, no critério de falha por fadiga e pelo critério de desgaste superficial todos com

base nas referências de [10].

Critério de Tensões AGMA

Para a análise deste critério, foi escolhido um coeficiente de segurança entre 3 e 5

conforme recomendado. Logo:

𝐶𝑆 = 4

44

Primeiramente, calcula-se a tensão admissível:

𝜎𝑎𝑑𝑚 =𝑆𝑦

𝐶𝑆= 201,8 𝑀𝑃𝑎

Os diâmetros primitivos das engrenagens podem ser calculados fazendo-se:

𝑑𝑝1 = 𝑚. 𝑧𝑝 = 48 𝑚𝑚 𝑑𝑐1 = 𝑚. 𝑧𝑐 = 144 𝑚𝑚

A velocidade tangencial na circunferência do diâmetro primitivo foi encontrada da

seguinte forma, sendo a do pinhão e da coroa as mesmas:

- Coroa do Eixo de entrada e Pinhão do eixo intermediário

𝑣𝑝𝑖 = 𝑣𝑐𝑒 =𝜋𝑑𝑐𝑛𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟

60= 1,50 𝑚/𝑠

- Coroa do eixo intermediário e Pinhão do eixo de saída:

𝑣𝑐𝑖 = 𝑣𝑝𝑠 =𝜋𝑑𝑐𝑛𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟

60= 4,50 𝑚/𝑠

De posse da velocidade tangencial, calcula-se então a força tangencial em cada par de

engrenagens, sendo:

1º par − 𝑊𝑡1 =𝑃

𝑣𝑝𝑖= 710,2 𝑁 2º par − 𝑊𝑡2 =

𝑃

𝑣𝑐𝑖= 236,7 𝑁

É preciso calcular também o fator dinâmico para engrenagens retificadas, com isso, faz-

se:

𝐾𝑉 = √78

78 + √200𝑣= 0,904

Além disso, conforme informado anteriormente, pelo critério AGMA a largura da face

deve atender a seguinte recomendação:

45

3. 𝑝 ≤ 𝐹 ≤ 5. 𝑝 18,85 𝑚 ≤ 𝐹 = 25𝑚𝑚 ≤ 31,41 𝑚𝑚

Logo, a face escolhida atende ao critério.

O fator de forma J da AGMA pode ser obtido interpolando a tabela da figura 46 do anexo

deste projeto.

𝐽 = 0,386

Pode-se então encontrar a tensão AGMA fazendo-se:

𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴 =𝑊𝑡

𝐾𝑉. 𝐹. 𝑚. 𝐽= 40,74 𝑀𝑝𝑎

O fator de segurança encontrado para este critério então foi:

𝐹𝑆𝐴𝐺𝑀𝐴 =𝑆𝑦

𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴= 19,81

Critério - Falha por fadiga

O limite de resistência a fadiga dos dentes da engrenagem, é calculado da seguinte forma:

𝑆𝑒 = 𝑘𝑎. 𝑘𝑏 . 𝑘𝑐 . 𝑘𝑑 . 𝑘𝑒 . 𝑘𝑓 . 𝑆𝑒′

- Limite de resistência à fadiga do corpo de prova - Se’:

𝑆𝑒′ =

𝑆𝑢𝑡

2 , 𝑠𝑒 𝑆𝑢𝑡 < 1400 𝑀𝑝𝑎

𝑆𝑒′ = 560 𝑀𝑝𝑎

- Fator de acabamento superfícial - ka :

𝑘𝑎 = 𝑎. 𝑆𝑢𝑡𝑏

Como informado anteriormente o acabamento dos dentes da engrenagem, será retificado,

logo:

46

𝑎 = 1,58 𝑏 = −0,085

𝑘𝑎 = 0,870

- Fator de tamanho – kb :

O fator de tamanho está relacionado ao módulo da engrenagem, e como o módulo da

engrenagem é 2:

𝑘𝑏 = 1

- Fator de confiabilidade - kc :

Para o fator de confiabilidade, considerare-se 95% de confiança, logo:

𝑘𝑐 = 0,868

- Fator de temperatura – kd :

Como T < 350 ºC, tem-se que: 𝑘𝑑 = 1

- Fator de concentração de tensões – ke :

O fator ke já está incluído do fator de forma J na tensão AGMA.

- Fator de efeitos diversos– kf :

Este fator está relacionado a efeitos diversos e pode ser calculado, fazendo-se:

𝑘𝑓 =2

1 +𝑆𝑒

′

𝑆𝑢𝑡

= 1,33

Assim, o limite de resistência a fadiga será:

𝑆𝑒 = 562,4 𝑀𝑝𝑎

Calculam-se então os fatores de segurança, estático e dinâmico:

47

𝐶𝑆𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑜 =𝑆𝑦

𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴 . 𝐾𝑜 . 𝐾𝑚

𝐶𝑆𝑑𝑖𝑛â𝑚𝑖𝑐𝑜 =2. 𝑆𝑒. 𝑆𝑢𝑡

(𝑆𝑒 + 𝑆𝑢𝑡). 𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴 . 𝐾𝑜 . 𝐾𝑚

Sendo os fatores Ko e Km encontrados a seguir da seguinte forma:

- Fator de correção de carga - Ko:

Considerando o impacto na força motriz e na máquina movida uniforme:

𝐾𝑜 = 1

- Fator de distribuição de carga a longo do dente – Km:

Para 0 < F < 50 e considerando uma montagem acurada, com pequena deflexão no eixo,

sendo as engrenagens precisas e a distância entre mancais curta:

𝐾𝑚 = 1,3

Logo:

𝐶𝑆𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑜 = 15,238

𝐶𝑆𝑑𝑖𝑛â𝑚𝑖𝑐𝑜 = 14,139

Critério – Desgaste superficial

A tensão calculada para da fadiga devido ao desgaste superficial, segundo Hertz, pode ser

calculada da seguinte forma:

𝜎𝐻 = 𝐶𝑝√𝑊𝑡

𝐶𝑣 . 𝐹 . 𝑑𝑝 . 𝐼

- Coeficiente elástico – Cp:

48

Este coeficiente está relacionado ao material das engrenagens que estão em contato.

Como ambas engrenagens são feitas de aço:

𝐶𝑝 = 191

- Fator Geométrico – I:

O fator geométrico está relacionado ao ângulo de pressão e a relação de transmissão e é

encontrado da seguinte forma para engrenagens externas.

𝐼 =cos 𝜃 . sin 𝜃

2.

𝑖

𝑖 + 1

𝐼 = 0,121

- Fator dinâmico – Cv:

É o mesmo do calculado nas engrenagens.

𝐶𝑣 = 0,904

Logo:

𝜎𝐻 = 445,1 𝑀𝑃𝑎

A tensão de resistência a fadiga superficial em dentes de engrenagens, pode ser calculada

da seguinte forma:

𝑆𝐻 = 𝑆𝐶 .𝐶𝐿 . 𝐶𝐻

𝐶𝑇 . 𝐶𝑅

- Resistência ao desgaste superficial para vida de até 108 ciclos – SC:

𝑆𝐶 = 2,76. 𝐻𝐵 − 70

𝑆𝐶 = 1348,6 𝑀𝑝𝑎

49

- Fator de vida – CL:

Este é o fator de correção para a vida da engrenagem. Para uma vida maior que 108 ciclos:

𝐶𝐿 = 1

- Fator de relação de durezas – CH:

Como as engrenagens são de dentes retos:

𝐶𝐻 = 1

- Fator de temperatura – CT:

A temperatura de operação é menor do que 120 ºC, logo :

𝐶𝑇 = 1

- Fator de confiabilidade – CR:

Foi selecionada uma confiabilidade de até 99%, logo este fator será:

𝐶𝐿 = 0,80

Assim:

𝑆𝐻 = 1685,8 𝑀𝑃𝑎

Agora pode-se calcular o fator de segurança conforme o critério de desgaste superficial:

𝐶𝑆𝑑𝑠 =𝜎𝐻

𝑆𝐻= 3,80

É possível constatar que as engrenagens selecionadas e dimensionadas, atendem a todos

os critérios testados, inclusive o de desgaste superficial que se mostrou o mais crítico,

mas ainda assim com uma boa margem de segurança.

50

O dimensionamento do par de engrenagens foi feito para o caso de carregamento mais

crítico que seria o primeiro par de engrenagens. Devido a isso não foi calculado o segundo

estágio, visto que as condições dele são menos críticas, fazendo com que as engrenagens

selecionadas, atendam perfeitamente as condições de projeto do segundo engrenamento.

Com isso, continua-se com o dimensionamento das outras peças do esquema de

transmissão já de posse destas informações que serão essenciais principalmente para o

dimensionamento dos eixos.

3.4.3.1.2 Primeiro estágio de transmissão

O primeiro estágio de transmissão é composto dos componentes que fazem a

transmissão da potência e torque recebido pelas pás do rotor até o eixo de entrada do

multiplicador de velocidades. Os componentes desse primeiro estágio são:

Eixo do Rotor

Mancal de Rolamento

Acoplamento

Chavetas

Abaixo, seguem os cálculos de dimensionamento para cada um deles.

3.4.3.1.2.1 Eixo do Rotor

Os eixos são os elementos responsáveis pela transmissão das rotações recebidas

pelas pás, para o gerador elétrico que faz a conversão da energia cinética em energia

elétrica. É nele que são fixadas as engrenagens que irão transmitir a potência entre os

eixos de baixa e de alta fazendo a rotação recebidas nas pás, chegar até o gerador que

51

realizará a conversão da energia. Este eixo está sujeito principalmente a atuação do peso

das pás e do hub. O peso está representado pela força abaixo:

𝑃1 = 818,9 𝑁

Como se pode observar na figura 34, na seção mais crítica, o momento fletor encontrado

foi de:

𝑀𝑚á𝑥 = 114,65 𝑁. 𝑚

Figura 34 - Representação gráfica do esforço cortante e do momento fletor em relação ao peso do conjunto HUB+PÁS

52

Além disso, as reações nos mancais encontrada foram:

𝑅𝑀1 = 18661,1 𝑁

𝑅𝑀2 = 1042,24 𝑁

O material escolhido para o eixo do rotor foi o aço AISI 1040 temperado e revenido a

650ºC. Abaixo estão as principais características deste material.




Para o dimensionamento do eixo do rotor, foram utilizados os critérios estático da

Máxima Energia de Distorção e o critério dinâmico de Soderberg, sendo este segundo

usualmente o mais crítico, seguindo recomendações de [10].

- Critério Estático do Método da Energia de Distorção (M.E.D)

d = {32. 𝐶𝑆

𝜋. 𝑆𝑦(𝑀2 +

3

4𝑇2)

1/2

}

1/3

Tem-se conhecimento que, para o eixo do rotor:

𝑀𝑚á𝑥 = 114,65 𝑁. 𝑚

𝑇 = 165,8 𝑁. 𝑚

𝑆𝑦 = 434 𝑀𝑃𝑎

O coeficiente de segurança escolhido para o dimensionamento do eixo foi:

𝐶𝑆 = 2

53

Assim:

d𝑀.𝐸.𝐷 = 20,5 mm

- Critério Dinâmico de Soderberg

𝑆𝑒 = 𝑘𝑎. 𝑘𝑏 . 𝑘𝑐 . 𝑘𝑑 . 𝑘𝑒 . 𝑘𝑓 . 𝑆𝑒′

- Limite de resistência à fadiga do corpo de prova - Se’:

𝑆𝑒′ =

𝑆𝑢𝑡

2 , 𝑠𝑒 𝑆𝑢𝑡 < 1400 𝑀𝑝𝑎

𝑆𝑒′ = 317 𝑀𝑝𝑎

- Fator de acabamento superfícial - ka :

𝑘𝑎 = 𝑎. 𝑆𝑢𝑡𝑏

Para um eixo com acabamento superficial usinado:

𝑎 = 4,51 𝑏 = −0,265

𝑘𝑎 = 0,816

- Fator de tamanho – kb :

Como o eixo deve estar entre 2,79 mm e 51 mm, estima-se um valor de d = 20 mm para

o cálculo inicial de kb, assim:

𝑘𝑏 = 1,24. 𝑑−0.107

Depois das interações e do cálculo correto do eixo, substitui-se o valor correto de d e o

fator de tamanho ficou:

𝑘𝑏 = 0,693

54

- Fator de confiabilidade - kc :

Para o fator de confiabilidade, considera-se 95% de confiança, logo:

𝑘𝑐 = 0,868

- Fator de temperatura – kd :

Como T < 350 ºC, tem-se que:

𝑘𝑑 = 1

- Fator de concentração de tensões – ke :

Para o cálculo do fator de concentração de tensões, faz-se necessário encntrar duas

variáveis:

Fator de sensibilidade ao entalhe – q

Fator de concentração de tensões – kt

Para determinar essas variáveis, precisa-se das seguintes razões que foram assumidas

como sendo:

𝑟

𝑑= 0,036 𝑒

𝐷

𝑑= 1,07

Logo:

𝑘𝑡 = 2,0 𝑒 𝑞 = 0,72

𝑘𝑓 =1

1 + 𝑞. (𝑘𝑡 − 1)= 0,581

Com isso, calcula-se:

𝑆𝑒 = 90,45 𝑀𝑃𝑎

55

Assim, utilizando o critério de Soderberg, obtem-se que:

𝑑 = {32. 𝐶𝑆

𝜋[(

𝑀

𝑆𝑒)

2

+ (𝑇

𝑆𝑦)

2

]

1/2

}

1/3

𝑑𝑆𝑜𝑑𝑒𝑟𝑏𝑒𝑟𝑔 = 29,99 𝑚𝑚

Assim, foi escolhido:

𝐷 = 30𝑚𝑚 𝑑 = 28 𝑚𝑚 𝑟 = 1 𝑚𝑚

3.4.3.1.2.2 Mancais de Rolamento

Os mancais de rolamento deste eixo, podem ser facilmente calculados, utilizando-

se as reações nos mancais mostrada anteriormente, que serão as forças radiais atuantes

nos mancais. Além disso, é importante considerar que no caso do eixo do rotor, haverá

uma força axial que será representada pela força normal às pás:

𝐹𝑟 = 1861,1 𝑁 𝐹𝑎 = 1054,4 𝑁

Foi escolhido dimensionar o mancal para que a sua vida nominal seja de mais de 100.000

horas conforme recomendação, assim:

𝐿10ℎ ≥ 100.000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

O modelo de mancal escolhido para essa aplicação, será um rolamento auto compensador

de esferas, assim a carga estática e dinâmica equivalente, pode ser calculada da seguinte

forma:

𝑃0 = 𝐹𝑟 + 𝑌0 𝐹𝑎

𝑃 = 𝐹𝑟 + 𝑌1 𝐹𝑎 𝑠𝑒 𝐹𝑎

𝐹𝑟< 𝑒

56

𝑃 = 0,65 𝐹𝑟 + 𝑌2 𝐹𝑎 𝑠𝑒 𝐹𝑎

𝐹𝑟> 𝑒

Selecionou-se o rolamento no catálogo SKF com a maior capacidade de carga dinâmica

que tinha como diâmetro interno igual ao diâmetro do eixo do rotor. O modelo

selecionado foi o SKF 2307 EKTN9 com a bucha do adaptador H 2307.

Utilizando as variáveis Y0, Y1 e Y2 encontradas, foi possível calcular:

𝑃 = 0,65 𝐹𝑟 + 𝑌2 𝐹𝑎 = 3424 𝑁

Assim, sabe-se que para encontrar a capacidade dinâmica necessária em função das horas

de operação, deve-se fazer:

𝐶 = 𝑃. (𝐿10ℎ. 60. 𝑛

1000000)

1/𝑝

𝐶 = 36416 𝑁

Com isso, ficou constatado que o modelo do rolamento selecionado atende as condições,

visto que sua capacidade de carga dinâmica é de 39700 N. Baseado nestes dados, foi

selecionado um mancal apropriado para este rolamento, o que, conforme a própria

recomendação do fabricante será o modelo SKF SE 508-607, que tem sua representação

indicada na figura 35.

Figura 35 - Representação do mancal do eixo de entrada SKF SE 508-607 [19]

57

3.4.3.1.2.3 Acoplamento

O acoplamento selecionado para a união do eixo do rotor ao eixo de entrada do

sistema de transmissão, foi o modelo ROBA-ES 28 / 940.622.A do fabricante Mayr

Power Transmission. Este modelo de acoplamento é sem folga e flexível e tem ótima

resistência a vibração além de não emitir ruídos, por isso foi selecionado. A figura 36

indica uma representação do modelo escolhido.

3.4.3.1.2.4 Chavetas

As chavetas desta primeira parte do estágio de transmissão, são para ajudar a fixar

o eixo ao Hub e também realizar a fixação do eixo ao acoplamento que transmitirá

potência para o eixo de entrada do multiplicador de velocidades. É importante ressaltar

que chavetas são elementos padronizados e que o cálculo de dimensionamento e seleção

seguiu as normas padrão da ABNT-NBR 6375, conforme indicado na tabela da figura 37.

Figura 36 – Imagem ilustrativa do modelo de acoplamento flexível MAYR [21]

58

Os dois locais onde estarão localizados os chavetas do eixo do rotor, tem um

diâmetro entre 22 mm e 30 mm, ou seja, não será necessário utilizar chavetas diferentes,

o que facilita bastante o processo de seleção e dimensionamento. Baseado nisso, foi feita

a seguinte escolha:

- Largura da chaveta: 𝑏 = 8 𝑚𝑚

- Altura da chaveta: ℎ = 7 𝑚𝑚

- Profundidade da chaveta no eixo: 𝑡 = 4 𝑚𝑚

Figura 37 - Tabela padronizada de chavetas segundo norma ABNT-NBR 6375

59

O material escolhido para a fabricação das chavetas foi um aço de baixo carbono SAE

1040 estirado a frio (CD).



Além disso, sabe-se que:

𝑇 = 165,8 𝑁. 𝑚

𝑑 = 28 𝑚𝑚 (𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 𝑑𝑎𝑠 𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒𝑡𝑎𝑠)

Calcula-se então a força sobre a chaveta:

𝐹 =𝑇

𝑑2⁄

= 11843,8 𝑁

Assim é possível calcular as tensões de cisalhamento e de compressão na chaveta,

respectivamente:

𝜏𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =2. 𝑇

𝑑. 𝑏. 𝐿 𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 =

4. 𝑇

𝑑. 𝑡. 𝐿

Para estes cálculos, será utilizado o menor comprimento, de modo a facilitar o

dimensionamento de duas chavetas iguais, e esse comprimento é encontrado no

acoplamento:

𝐿 = 35 𝑚𝑚

Assim, encontra-se:

𝜏𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 42,3 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = 169,2 𝑀𝑃𝑎

Com isso, foi possível calcular os coeficientes de segurança de cisalhamento e

compressão:

60

𝐶𝑆𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =0,577. 𝑆𝑦

𝜏𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜= 6,7 𝐶𝑆𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 =

𝑆𝑦

𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜= 2,9

3.4.3.1.3 Segundo estágio de transmissão (Entrada do Multiplicador)

O segundo estágio de transmissão é também a entrada do multiplicador de

velocidades. Nele ocorre o primeiro estágio de multiplicação de velocidades. Uma parte

deste estágio, estará alocada dentro da caixa de transmissão de velocidades, onde ocorrerá

o engrenamento e outra na parte externa. Os componentes deste estágio são:

Eixo de entrada

Rolamentos

Chavetas

Seguindo a mesma lógica e interações do item anterior, seguem os cálculos de

dimensionamento para os componentes deste estágio.

3.4.3.1.3.1 Eixo de Entrada

O eixo de entrada do multiplicador de velocidades será dimensionado de modo

análogo ao do eixo do rotor. Neste eixo ficará acoplada a primeira engrenagem do

multiplicador e também é importante ressaltar que ele está ligado ao eixo do rotor, por

meio de um acoplamento flexível, dimensionado e exposto anteriormente. O material do

eixo de entrada será o mesmo do eixo do rotor.

Será considerado que somente a força radial da engrenagem atuará nesse eixo e tem o

valor de:

𝑊𝑡1 = 710,2 𝑁

61

Como se pode observar na figura 38, na seção mais crítica, o momento fletor encontrado

foi de:

𝑀𝑚á𝑥 = 17,76 𝑁. 𝑚


𝑅𝑀1 = 355,10 𝑁

𝑅𝑀2 = − 355,10 𝑁

Figura 38 – Representação gráfica do esforço cortante e momento fletor no eixo de entrada em relação a força exercida pelo engrenamento

62

O material escolhido para o eixo de entrada foi o aço AISI 1040 temperado e

revenido a 650ºC. Abaixo estão as principais características deste material.




Critério Estático do Método da Energia de Distorção (M.E.D)

d = {32. 𝐶𝑆


3

4𝑇2)

1/2

}

1/3

d𝑀.𝐸.𝐷 = 18,9 mm

Critério Dinâmico de Soderberg

𝑑 = {32. 𝐶𝑆

𝜋[(

𝑀

𝑆𝑒)

2

+ (𝑇

𝑆𝑦)

2

]

1/2

}

1/3


Assim, como forma de facilitar o processo de fabricação e dar uma pequena margem de

segurança:

𝐷 = 23 𝑚𝑚 𝑑 = 22 𝑚𝑚 𝑟 = 1 𝑚𝑚

3.4.3.1.3.2 Rolamentos

Os rolamentos selecionados para o eixo de entrada, ficarão acoplados na caixa do

multiplicador, por isso, não se optou por mancais. O cálculo será feito de modo análogo

ao rolamento calculado para o eixo do rotor, por isso, aqui estarão simplificados.

63

A força atuante neste rolamento, foi calculada no dimensionamento do eixo e exposta

anteriormente, tendo somente componente radial, sendo assim:

𝐹𝑟 = 355,1 𝑁

Analogamente ao rolamento anterior, este será dimensionado para que a sua vida nominal

seja de mais de 100.000 horas, assim:

𝐿10ℎ ≥ 100.000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

O modelo de rolamento escolhido para essa aplicação, será um rolamento rígido de

esferas, assim a carga estática e dinâmica equivalente, pode ser calculada da seguinte

forma:

𝑃0 = 0,6𝐹𝑟 + 0,5 𝐹𝑎

𝑃 = 𝑋𝐹𝑟 + 𝑌 𝐹𝑎 𝑠𝑒 𝐹𝑎

𝐹𝑟> 𝑒

Como tem-se somente a força radial:

𝑃 = 𝐹𝑟 = 355,1 𝑁

É de conhecimento que para encontrar a capacidade dinâmica necessária em função das

horas de operação, deve-se fazer:

𝐶 = 𝑃. (𝐿10ℎ. 60. 𝑛

1000000)

1/𝑝

𝐶 = 3777 𝑁

Com isso, foi selecionado o rolamento no catálogo SKF que atendesse a essa carga

dinâmica. O modelo selecionado foi o SKF 62/22-2RS1.

64


Neste eixo, a chaveta necessária será a de acoplamento da engrenagem e a de

fixação ao acoplamento. O cálculo de dimensionamento da chaveta, será de modo análogo

ao das chavetas do eixo do rotor, por isso, aqui estará de forma mais simplificada. O

material também será o mesmo das outras chavetas.

Os dados principais para os cálculos, estão abaixo:

𝑇 = 165,8 𝑁. 𝑚 𝑑 = 22 𝑚𝑚 𝑆𝑦 = 490 𝑀𝑃𝑎

Logo, utilizando a mesma tabela padrão da NBR a chaveta escolhida tem as seguintes

dimensões:




O comprimento da chaveta será o mesmo da largura da engrenagem ao qual ela está

acoplada.

- Comprimento da chaveta: 𝐿 = 25 𝑚𝑚

Com isso, calculam-se as tensões de cisalhamento e de compressão na chaveta,

respectivamente, de modo análogo ao calculado anteriormente, assim:


De posse desses dados, faz-se necessário também calcular os coeficientes de segurança

de cisalhamento e de compressão, também análogo aos cálculos realizados anteriormente:

𝐶𝑆𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 3,9 𝐶𝑆𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = 1,7

65

No caso da chaveta que ligará ao acoplamento, sabe-se que:

𝑑 = 28 𝑚𝑚 𝐿 = 35 𝑚𝑚

Logo, pelas normas, as medidas padrão serão:




Assim:


Com isso, consegue-se calcular os coeficientes de segurança de cisalhamento e

compressão:

𝐶𝑆𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 6,7 𝐶𝑆𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = 2,9

66

3.4.3.1.4 Terceiro estágio de transmissão (Intermediário)

Este terceiro estágio de transmissão, fica localizado completamente dentro da caixa

de transmissão. Os componentes deste estágio são:

Eixo intermediário

Rolamentos

Chavetas

A seguir os cálculos de dimensionamento para os componentes deste estágio. Como

calculado no estágio anterior, todos os cálculos são análogos aos realizados no primeiro

estágio do multiplicador de velocidades, devido a isso, os cálculos neste estágio já estão

apresentados de forma mais simplificada.

3.4.3.1.4.1 Eixo intermediário

No eixo intermediário, atuam as forças dos dois engrenamentos, tornando sua

exigência um pouco maior que os demais. As forças atuantes no mesmo estão

representadas na figura 39, sendo P1 a força atuante do primeiro engrenamento e P2 a

força resultante do segundo engrenamento:

𝑃1 = 710,2 𝑁

𝑃2 = 336,7 𝑁

67

Como se pode observar, na seção mais crítica, o momento fletor encontrado foi de:

𝑀𝑚á𝑥 = 30,47 𝑁. 𝑚


𝑅𝑀1 = − 609,46 𝑁

𝑅𝑀2 = 337,44 𝑁

Figura 39 - Representação gráfica do esforço cortante e momento fletor no eixo intermediário em relação as forças exercidas pelos engrenamentos neste eixo

68

O material escolhido para o eixo intermediário, também foi o aço AISI 1040

temperado e revenido a 650ºC. Abaixo estão as principais características deste material.





d = {32. 𝐶𝑆


3

4𝑇2)

1/2

}

1/3

d𝑀.𝐸.𝐷 = 13,9 mm


𝑑 = {32. 𝐶𝑆

𝜋[(

𝑀

𝑆𝑒)

2

+ (𝑇

𝑆𝑦)

2

]

1/2

}

1/3



segurança:

𝐷 = 23 𝑚𝑚 𝑑 = 20 𝑚𝑚 𝑟 = 1 𝑚𝑚

69


Os rolamentos serão dimensionados baseados na maior reação, análogo ao que já

foi feito anteriormente. A escolha de rolamentos e não unidades completas com mancal,

teve o mesmo motivo da opção do eixo de entrada, visto que os rolamentos estarão

alocados nas paredes da caixa de transmissão.

A força atuante neste rolamento, foi calculada no dimensionamento do eixo e exposta

anteriormente, tendo somente componente radial, sendo assim:

𝐹𝑟 = 609,5 𝑁

Analogamente ao rolamento anterior, este será dimensionado para que a sua vida nominal

seja de mais de 100.000 horas conforme recomendação, assim:

𝐿10ℎ ≥ 100.000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

O modelo de rolamento escolhido para essa aplicação, será um rolamento rígido de

esferas, assim a carga estática e dinâmica equivalente, pode ser calculada da seguinte

forma:

𝑃0 = 0,6𝐹𝑟 + 0,5 𝐹𝑎

𝑃 = 𝑋𝐹𝑟 + 𝑌 𝐹𝑎 𝑠𝑒 𝐹𝑎

𝐹𝑟> 𝑒

Sabe-se que há somente força radial:

𝑃 = 𝐹𝑟 = 609,5 𝑁

Assim, sabe-se que para encontrar a capacidade dinâmica necessária em função das horas

de operação, deve-se fazer:

70

𝐶 = 𝑃. (𝐿10ℎ. 60. 𝑛𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟

1000000)

1/𝑝

𝐶 = 9348 𝑁

Com isso, observou-se que o mesmo rolamento selecionado para o eixo de entrada,

atendia as condições para os esforços atuantes. Foi então selecionado o mesmo rolamento

no catálogo, modelo SKF Explorer 6304-2RSH.


Neste eixo, as duas chavetas necessárias serão as de acoplamento das

engrenagens. Como a seção do eixo onde estão localizadas as engrenagens e as próprias

engrenagens são as mesmas, as chavetas projetadas para o engrenamento do eixo de

entrada atendem suficientemente essas condições devido as condições de operação

anteriores, serem mais críticas do que essa.

3.4.3.1.5 Quarto estágio de transmissão (Saída do multiplicador)

Neste último estágio de transmissão, uma parte dos componentes fica localizada fora

da caixa e outra parte, dentro da caixa do multiplicador. Este é o último estágio da

multiplicação de velocidades, onde na saída já deve-se ter o torque e rotação de projeto

para o qual o gerador elétrico será dimensionado e acoplado. É também neste estágio que

será instalado o freio, devido ao baixo torque necessário de frenagem para rotações mais

altas, com o intuito de baratear o custo e ter um freio menos robusto. Os componentes

deste estágio são:

Eixo de saída

Rolamentos

71

Chavetas

Freio

Acoplamento

A seguir, apresentam-se as interações feitas para dimensionamento das peças deste

estágio de transmissão.

3.4.3.1.5.1 Eixo de saída

O eixo de saída, é o eixo com maior rotação e menor torque, por isso é nele que

fica acoplado o freio do sistema. Assim como feito para os outros eixos, inicialmente

foram identificadas as forças atuantes. Assim como no eixo de entrada, a única força

atuante é a força radial, que é provocada pelo engrenamento e representada por P1

conforme o diagrama da figura 40.

𝑃1 = 236,7 𝑁

Como se pôde observar, na seção mais crítica, o momento fletor encontrado foi de:

𝑀𝑚á𝑥 = 5,92 𝑁. 𝑚


𝑅𝑀1 = − 𝑅𝑀2 = 118,35 𝑁

72

O material escolhido para o eixo de saída foi o aço AISI 1040 temperado e revenido a

650ºC. Abaixo estão as principais características deste material.




Figura 40 - Representação gráfica do esforço cortante e momento fletor no eixo de saída em relação a força exercida pelo engrenamento presente nele

73


d = {32. 𝐶𝑆


3

4𝑇2)

1/2

}

1/3

d𝑀.𝐸.𝐷 = 9,3 mm


𝑑 = {32. 𝐶𝑆

𝜋[(

𝑀

𝑆𝑒)

2

+ (𝑇

𝑆𝑦)

2

]

1/2

}

1/3



segurança:

𝐷 = 23 𝑚𝑚 𝑑 = 20 𝑚𝑚 𝑟 = 1 𝑚𝑚


Para a seleção do rolamento do eixo de saída, foi utilizado o mesmo processo

interativo feito anteriormente, para as mesmas condições de operação:

𝐹𝑟 = 118,4 𝑁

𝐿10ℎ ≥ 100.000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

Como tem-se que somente há a força radial:

𝑃 = 𝐹𝑟 = 118,4 𝑁

74

Logo,

𝐶 = 𝑃. (𝐿10ℎ. 60. 𝑛𝑠𝑎í𝑑𝑎

1000000)

1/𝑝

𝐶 = 2618 𝑁

Assim, foi selecionado o mesmo rolamento utilizado no eixo intermediário, com o intuito

de haver mais peças padronizadas e facilitar o processo de fabricação e montagem. O

rolamento SKF Explorer 6304-2RSH que atende aos critérios de projeto e de carga

dinâmica suportada, tendo este uma carga dinâmica suportada de 16800 N.

3.4.3.1.5.3 Freio

A principal função da existência de um freio em um aerogerador é proteger os

elementos mecânicos em situações onde a velocidade do vento for superior a velocidade

para a qual os elementos e o aerogerador foi projetado. Além disso, auxilia também

quando é necessário realizar qualquer manutenção no aerogerador, mantendo o mesmo

parado. Na seleção do freio, buscou-se um freio com uma capacidade máxima de

frenagem comparada ao torque calculado no projeto. O freio será posicionado no eixo de

saída do multiplicador de velocidades, visto que o torque necessário para frenagem em

eixos de alta velocidade é muito menor que o torque necessário para eixos de baixa

velocidade, como o eixo de entrada por exemplo. Isso proporcionou a escolha de um freio

de tamanho mais compacto e consequentemente com um custo menor também.

O modelo selecionado foi um freio eletromagnético modelo ROBA-quick 5/520.202.0,

conforme catálogo, representado na figura 47 do anexo deste trabalho. Este freio tem uma

capacidade de frenagem de até 45 N.m para uma velocidade máxima de 6100 rpm, que

suporta as condições esperadas para o eixo de saída que são maiores que o dobro

75

projetado, atendendo assim as condições esperadas. A figura 41 traz uma representação

ilustrativa do freio escolhido.

3.4.3.1.5.4 Acoplamento

O acoplamento selecionado para a união do eixo de saída ao eixo do gerador

elétrico também foi um acoplamento flexível do fabricante Mayr Power Transmission,

assim como o acoplamento do eixo do rotor ao eixo de entrada. O modelo escolhido nesse

estágio foi o ROBA-ES 24 / 940.122. Este modelo de acoplamento é sem folga e flexível.

Tem ótima resistência a vibração e não emite ruídos, por isso foi selecionado assim como

o modelo entre o eixo do rotor e o eixo de entrada.


No caso do eixo de saída, haverá 3 chavetas distintas. Uma que fixará a

engrenagem, que não será calculada pois atende as mesmas condições de tamanho com

condições de operação mais brandas que a das chavetas das engrenagens calculadas

Figura 41 – Imagem ilustrativa do freio eletromagnético modelo ROBA-quick [21]

76

anteriormente, outra que fará a fixação do freio e outra que fará a fixação do acoplamento.

A particularidade deste eixo é que ele terá 3 chavetas de modelos diferentes.

Para o caso das chavetas utilizadas para acoplar o freio e o acoplamento flexível ao eixo

de saída, será necessário calcular as dimensões corretas das chavetas, visto que as mesmas

estão situadas em uma seção onde o diâmetro é diferente, assim no local das chavetas,

tem-se:

𝑇 = 18,4 𝑁. 𝑚 𝑑 = 20 𝑚𝑚 𝑆𝑦 = 490 𝑀𝑃𝑎

Para as condições de operação, as dimensões escolhidas utilizando-se a norma:



- Profundidade da chaveta no eixo: 𝑡 = 3,5 𝑚𝑚

A chaveta que se ligará ao freio terá um comprimento igual a:

𝐿 = 28 𝑚𝑚

𝜏𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 11 𝑀𝑃𝑎 𝐶𝑆𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 25,8

𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = 37,6 𝑀𝑃𝑎 𝐶𝑆𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = 13,0

Já a chaveta que se ligará ao acoplamento terá um comprimento igual a:

𝐿 = 30 𝑚𝑚

𝜏𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 10,2 𝑀𝑃𝑎 𝐶𝑆𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 27,6

𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = 35,1 𝑀𝑃𝑎 𝐶𝑆𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = 14

77

3.4.4 Seleção do gerador elétrico

Para transformar a energia mecânica em energia elétrica, foi escolhido um

motor/gerador que se encaixasse nas condições de projeto. Os critérios adotados na

seleção foram de um motor elétrico com uma potência nominal próxima da potência

calculada para o rotor e uma velocidade nominal que não fosse muito superior a rotação

do rotor para manter a caixa onde se encontrará o sistema compacta o suficiente para não

atrapalhar a eficiência aerodinâmica do aerogerador projetado. Baseado nesses critérios,

foi escolhido um motor modelo W22 IR3 Premium do fabricante WEG, que tem uma

potência nominal de 1,1 kW e uma rotação nominal de 1725rpm. O motor foi fixado ao

chassi por meio de parafusos M10x1,5x30, com suas respectivas porcas e arruelas. Os

dados adicionais se encontram na folha de dados do fabricante, mostrada na figura 42.

Figura 42 – Folha de dados do motor WEG W22 IR3 Premium retirada do site do fabricante [20]

78

3.4.5 Projeto do Chassi

O chassi foi projetado de forma a proporcionar um encaixe adequado dos

componentes e ser resistente o suficiente para acomodar todos os componentes sem se

romper. Com isso, ele será feito de barras com perfil retangular de 5mm de espessura.

Além disso, em seções mais críticas, foram feitos suportes reforçados para dar mais

resistência ao projeto. O material escolhido para a fabricação foi o aço SAE 1045. O

design final é mostrado na figura 43.

3.4.6 Projeto da Nacelle

A nacele de uma turbina eólica ou aerogerador é uma espécie de compartimento

que abriga praticamente todos os componentes do sistema do aerogerador, incluindo eixo,

mancais e rolamentos, caixa de transmissão, freio e o gerador elétrico, excetuando-se o

hub e as pás. Sua principal função é proteger os componentes da ação do tempo dando

maior vida útil a eles e consequentemente reduzindo a manutenção no aerogerador.

Figura 43 - Design final do Chassi feito no Solidworks

79

Os principais materiais utilizados na fabricação da Nacele são as fibras de vidro ou fibra

de carbono. Para o projeto em questão, será utilizada a fibra de vidro, devido ao menor

custo e fácil manuseio.

A nacele projetada foi dividida em duas partes (superior e inferior) de modo a facilitar a

montagem dos componentes e facilitar também uma eventual manutenção no sistema,

fornecendo acesso por cima, sem precisar desmontar todo o sistema. A fixação será feita

pelas laterais através de pequenos parafusos. A figura 44 mostra o conjunto da nacele

montado com as duas partes.

3.4.7 Sistema de guinada (Yaw)

Apesar de haver algumas exceções, toda turbina eólica de eixo horizontal deve ter

um sistema de guinada para orientá-la e alinhar a mesma na direção do vento. Existem

dois tipos principais de sistemas de guinada, o ativo e o livre. Para o aerogerador deste

Figura 44 – Representação da Nacele feita do Solidworks

80

projeto, foi escolhido um modelo livre. O comprimento da cauda e a área de superfície

da paleta são fatores críticos para que a turbina eólica permaneça na direção do vento em

condições normais ou até mesmo turbulentas, segundo o fabricante de turbinas eólicas

Windy Nation [8], e se estes componentes não estiverem dimensionados corretamente,

podem ocasionar perda de RPM e consequentemente de energia, devido à demora para

alinhar com a direção correta do vento.

No dimensionamento do sistema de guinada, utilizou-se as recomendações desse mesmo

fabricante, como fonte de conhecimento e para ter um dimensionamento mais simples e

preciso. Ainda segundo o fabricante, a regra geral para a área da cauda é que a mesma

não deve ser inferior a 5% da área varrida pelas pás do aerogerador.

𝐴 =𝜋𝐷2

4= 12,56 𝑚²

Logo a área da cauda estará entre 5% e 10% da área varrida pelas pás do aerogerador, ou

seja, entre 0,628 m² e 1,256 m². Já para o comprimento, a recomendação é que a distância

L, mostrada na figura 45, que é a distância do centro da torre de sustentação até 1/3 do

comprimento da cauda, siga a recomendação de aproximadamente 60% do diâmetro da

área varrida pelas pás. Logo:

𝐿 = 0,60 . 𝐷 = 2,4 𝑚

A cauda será feita de alumínio e o suporte dela também, sendo este de um tubo de

alumínio comercial de perfil circular que tem boa resistência além de ser um material

mais leve. O sistema foi fixado ao chassi, através de 3 parafusos M20 x 2,5 x 100,

passando transversalmente o chassi e o tubo do sistema de guinada.

81

3.4.8 Torre de sustentação

Para concluir o projeto foi feito o dimensionamento da torre de sustentação do

aerogerador. A torre tem um papel essencial nos projetos de aerogeradores pois é ela que

sustenta todos os componentes suspensos do aerogerador, ou seja, todo o coração do

aerogerador é sustentado pela torre.

Para este projeto a torre terá um perfil cilíndrico uniforme ao longo de toda sua

extensão, sendo dividida em seções para facilitar a fabricação, transporte e a montagem

também. A fixação das partes será feita através de flanges nas extremidades, com

parafusos M20 x 2,5 x 65 com suas respectivas arruelas e porcas. Ela será chumbada a

uma base de concreto, que é chamada de fundação e que será feita especialmente para a

fixação da mesma. O dimensionamento da fundação e dos chumbadores não será

abordado neste projeto.

O material escolhido para a fabricação da torre, foi o aço SAE 1030 (CD) estirado a frio

e seguir estão as principais características deste material.


Figura 45 - Esquema ilustrativo das relações entre a cauda e o rotor [8]

82


Módulo de elasticidade: 𝐸 = 206 𝐺𝑃𝑎


Massa específica: 𝜇𝑎ç𝑜 𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 = 7861 𝑘𝑔/𝑚³

O dimensionamento da torre será feito através da análise da mesma quanto á flambagem

e quanto ao escoamento.

Altura da torre: ℎ = 15 𝑚

Espessura da torre: 𝑡 = 15 𝑚𝑚

Diâmetro externo: 𝐷𝑒 = 200 𝑚𝑚

Diâmetro interno: 𝐷𝑖 = 185 𝑚𝑚

Peso do conjunto do aerogerador: 𝑃𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 2402 𝑁

Para dar prosseguimento ao processo de dimensionamento da torre, serão necessários

alguns cálculos adicionais, para complementar as informações que já são conhecidas.

Área da seção transversal – As:

𝐴𝑠 = 𝜋 (𝐷𝑒

2 − 𝐷𝑖2

4) = 4,535 𝑥 10−3 𝑚²

Momento de inércia – I:

𝐼 =𝜋(𝐷𝑒

4 − 𝐷𝑖4)

64= 2,10 𝑥 10−5 𝑚4

Área superficial externa (sujeita ao escoamento do vento) - Ae:

𝐴𝑒 = ℎ . 𝐷𝑒 = 3 𝑚²

83

Peso da torre - Ptorre:

𝑃𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 = ℎ. 𝐴𝑠. 𝜇𝑎ç𝑜 𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 = 534,8 𝑘𝑔

De posse desses dados, realizou-se os cálculos de dimensionamento da torre de

sustentação do aerogerador.

- Análise de Flambagem

Para a análise da flambagem, primeiramente será calculada a carga crítica de flambagem.

Conforme mostrado em [10]:

𝑃𝑐𝑟 =𝜋2. 𝐶. 𝐸. 𝐼

ℎ²

Sendo C dependente das condições de extremidade. Como a torre será considerada com

um lado fixo e outro lado livre, tem-se que:

𝐶 =1

4

𝑃𝑐𝑟 = 47533,1 𝑁

Logo, como sabendo-se o peso do aerogerador, consegue-se calcular o coeficiente de

segurança do sistema:

𝐶𝑆𝑓𝑙𝑎𝑚𝑏𝑎𝑔𝑒𝑚 =𝑃𝑐𝑟

𝑃𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟= 19,8

- Análise de Escoamento

Para realizar a análise do escoamento sobre a torre de sustentação, encontra-se primeiro

o momento fletor devido a força normal:

𝑀𝐹𝑎 = 𝐹𝑎 . ℎ = 15816,5 𝑁. 𝑚

Em seguida, encontram-se as tensões devido a flexão e compressão:

84

𝜎𝑓𝑙𝑒𝑥ã𝑜 =𝑀𝐹𝑎 . 𝐷𝑒

2. 𝐼= 75,2 𝑀𝑃𝑎

𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 =𝑃𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟

ℎ= 0,5 𝑀𝑃𝑎

Faz-se necessário também calcular o valor da tensão de cisalhamento:

𝜏𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝐹𝑎

𝐴𝑠𝑒çã𝑜= 0,2 𝑀𝑃𝑎

Assim, é possível encontrar a tensão de Von Mises:

𝜎𝑉𝑜𝑛 𝑀𝑖𝑠𝑒𝑠 = √𝜎2 + 3. 𝜏2 = 75,17 𝑀𝑃𝑎

Por fim, calcula-se o coeficiente de segurança para o escoamento da torre

𝐶𝑆𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝑆𝑦

𝜎𝑉𝑜𝑛 𝑀𝑖𝑠𝑒𝑠= 5,9 𝑀𝑃𝑎

3.4.8.1 Estrutura de encaixe do conjunto montado à torre

O conjunto montado será encaixado na torre através de uma estrutura fabricada

somente para isso. A fixação do mesmo ao conjunto, será através de parafusos M16 que

passarão através dos furos dessa estrutura da nacele e do chassi, finalizado e fixado com

suas respectivas porcas e arruelas. Essa estrutura será a guia para o conjunto, e poderá

girar sobre a parte superior da torre pois estará apoiada nos rolamentos que permitiram

sua rotação para melhor alinhamento do aerogerador com a direção frontal dos ventos,

provocada pelo sistema de guinada, citado anteriormente.

85

3.4.8.2 Rolamento da torre

A última seção da torre será especial para suportar todo o conjunto, através da

estrutura especialmente projetada para se encaixar nela. Nesta seção é que estarão

localizados os rolamentos que permitiram a rotação fluida do sistema em torno dessa base.

Estes rolamentos foram projetados levando-se em conta as forças às quais estará sujeito

que são a força radial, representada pela força axial ao qual o aerogerador está sujeito e

que já foi calculada anteriormente), e a força axial do rolamento que será representada

pelo peso total do conjunto. Logo:

𝐹𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 = 𝑃𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 2402 𝑁 𝐹𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙 = 𝐹𝑁 = 1054,4 𝑁

Para os rolamentos da torre, serão selecionados rolamentos de esferas rígidas, do

fabricante SKF. Como as cargas a serem suportados por este rolamento são maiores, ele

precisa ser mais robusto e na hora da seleção, optou-se por escolher um rolamento que

teoricamente resistisse a mais de 100.000 horas de operação. Com isso, o modelo

selecionado para este caso, foi o SKF Explorer 61826-2RZ.

Como se pode observar dos dados deste modelo, presente no anexo, tem-se que:

𝐶0 = 43000 𝑁 𝐶 = 37700 𝑓0 = 16,1

Logo, conforme recomendado pelo próprio fabricante, para uma folga normal, tem-se

𝑓0. 𝐹𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙

𝐶0= 0,899

Interpolando utilizando a tabela da figura 47 do anexo:

𝑒 = 0,27

Assim:

86

𝐹𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙

𝐹𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙= 2,28 > 𝑒

Logo, conforme recomendação do fabricante, para esses casos, calculam-se as cargas

dinâmica equivalente e carga estática equivalente, fazendo-se:

𝑃 = 𝑋. 𝐹𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙 + 𝑌. 𝐹𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙

𝑃0 = 0,6. 𝐹𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙 + 0,5. 𝐹𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙

Pode-se encontrar X e Y interpolando a tabela da figura 45 com os valores encontrados

anteriormente. Logo:

𝑓0. 𝐹𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙

𝐶0= 0,899 𝑒 = 0,27

𝑋 = 0,56 𝑌 = 1,61

Assim, encontrou-se:

𝑃 = 4458 𝑁 𝑃0 = 1834 𝑁

De posse destes dados, é possível calcular a vida do rolamento escolhido.

𝐿10 = (𝐶

𝑃)

𝑝

Sendo p o expoente da equação de vida, que para o caso de rolamento de esferas é igual

a 3. Como as condições de operação deste tipo de aerogerador, são majoritariamente

estacionárias, ou seja, ele não fica trocando de direção a cada minuto, será estimada então

uma rotação de n = 10 rpm de forma a possibilitar a estimativa da vida nominal deste

rolamento.

𝐿10ℎ =106

60. 𝑛(

𝐶

𝑃)

𝑝

= 1 𝑥 106 ℎ

87

Fazendo-se o cálculo, observa-se que o rolamento resistirá suficientemente a mais do que

o esperado quando foi selecionado, dando confiabilidade para a operação do sistema.

Além disso, para manter a estrutura de encaixe do conjunto melhor alinhada, foi

selecionado mais um rolamento auxiliar, que ficará localizado mais abaixo, sobre

condições de operação mais amenas. O modelo escolhido para este foi o SKF Explorer

62214-2RS1.

3.5 Documentação gráfica do projeto

Após o estudo de dimensionamento dos elementos componentes do aerogerador e

de sua modelagem, foi feito o desenho técnico do conjunto mecânico representativo da

montagem do sistema. Para a elaboração desse desenho foram utilizadas recomendações

de Pina, Filho (2011), além de diversas outras normas técnicas vigentes no país, como

NBR 10067, NBR 10126, NBR 13272 e NBR 8196.

É importante registrar que os desenhos foram feitos com o auxílio do software

especializado Solidworks ®, e podem ser encontrados no anexo desse trabalho.

3.6 Estimativas de custos e economia

Segundo dados retirados de [27] no ano de 2015 o consumo médio residencial

brasileiro foi de 161,5 kWh/mês. Considerando uma situação aquém da esperada e

calculada anteriormente para o regime de ventos, com a finalidade de se estimar um valor

para o potencial de geração do aerogerador ao longo de um mês, pode-se propor que o

gerador só atenderá a velocidade de projeto em 50% do tempo, e nas outras horas não

geraria nenhuma energia (como se não houvesse vento nesses horários, o que não é real,

88

mas auxilia no estudo de viabilidade). Com isso, utilizando a potência calculada, pode-se

calcular a potência total gerada ao longo de um mês fazendo-se:

𝑃𝑀Ê𝑆 = 𝑃. 𝑡ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

Sendo thoras o número total de horas de funcionamento na velocidade de projeto ao longo

de 1 mês, considerando os 50% de disponibilidade informados anteriormente e um mês

com 30 dias.

𝑡ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 30𝑥24

2= 360 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

Assim, tem-se que:

𝑃𝑀Ê𝑆 = 1,073 𝑥 360 = 386,3 𝑘𝑊ℎ

Logo, pode-se dizer que o aerogerador projetado conseguiria suprir integralmente

nas condições indicadas, a demanda energética média de uma residência brasileira com

bastante sobra, dando uma folga considerável no orçamento, já que atualmente conforme

indicado por [28] o custo por kWh é de R$ 0,555 e com isso, para esta potência gerada

mensal, conseguiria gerar uma economia de até R$ 214,50 aproximadamente.

É importante ressaltar que os custos de produção não foram calculados devido a

necessidade de cotação das muitas peças. Mas levando-se em consideração pesquisas em

sites como [29] onde já há vendedores comercializando turbinas com capacidades

informadas de 0,8kW à 2,5kW, o custo de um projeto intermediário estaria entre R$ 2500

e R$ 12000. Se for utilizado esse valor mais caro como parâmetro, o payback para pagar

o custo de produção de um aerogerador desse será de no máximo:

𝑃𝑎𝑦𝑏𝑎𝑐𝑘 = 𝑅$ 12000

𝑅$ 214,50= 56 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠

89

4 CONCLUSÃO

O objetivo inicial deste trabalho era de se projetar um aerogerador de uso comercial

com uma empregabilidade que traria uma vantagem tanto para quem o usa, como também

para o governo que sofre com as altas demandas de energia constantes, auxiliando a

diversificar a matriz energética e principalmente, incentivando o país a investir mais neste

tipo de matriz de geração de energia, haja vista que, mesmo sendo um dos países que

figuram entre os 10 principais em capacidade instalada de geração eólica, o Brasil ainda

está muito abaixo do real potencial que o território brasileiro proporciona.

Sendo assim, o aerogerador foi projetado seguindo toda metodologia de projeto

estabelecida, começando nas pesquisas e prosseguindo com cálculos iniciais e definições

de parâmetros, passando pela parte de projeto e dimensionamento e terminando com uma

abordagem sobre a aplicabilidade do projeto e o retorno que o mesmo trará para os

beneficiários finais.

Devido à baixa complexidade tanto de produção como de montagem, acredita-se que

o projeto seja viável de ser implementado, visto que muitas das peças são elementos

comerciais facilmente encontrados, e outras são de fácil fabricação. Caso o aerogerador

deste projeto viesse a ser produzido em larga escala, muitas dos custos com produção

poderiam ser reduzidos com o ganho de escala.

Conclui-se que o aerogerador projetado atende à demanda para o qual o mesmo foi

dimensionado com boa confiabilidade, tornando o resultado deste projeto satisfatório do

ponto de vista técnico e mais satisfatório ainda com o impacto social gerado pelo mesmo,

auxiliando as famílias e o Governo Federal na busca por um país mais justo e consciente.

90

4.1 Sugestões para trabalhos futuros

Apesar do projeto ter focado essencialmente no projeto mecânico e de

dimensionamento de componentes há espaço para melhorias que poderiam ser

implementadas tanto em projetos de graduação como também projetos de pesquisa de

pós-graduação, mestrado ou doutorado.

Para citar algumas sugestões, há possibilidade ainda na parte de dimensionamento,

para o projeto de um mecanismo mais compacto, visando reduzir o tamanho da nacele e

dos componentes internos com consequente redução do peso, com análise mais

aprofundada de materiais. Não foi abordado também neste trabalho nenhum projeto da

parte elétrica, que poderia ser implementado para tornar o projeto ainda mais preciso

quanto a sua aplicabilidade.

Como últimas sugestões, uma seria um projeto com um plano completo de

manutenção em larga escala para a situação real de produção e instalação destes

aerogeradores em condomínios residenciais, focando na prevenção de falhas e redução

de custos para o usuário final. Por fim, um estudo de ruído e vibrações no aerogerador

para avaliar de que forma esses fenômenos possam impactar na funcionalidade do

mecanismo e no conforto acústico das habitações em sua proximidade.

91

5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] TONG, W., “Wind Power Generation and Wind turbine Design”, 1ª edição, WITpress

– Southampton, Boston, EUA, 2002.

[2] Manwell, J, F., McGowan, J, G., Rogers, L, A., et. al., "WIND ENERGY

EXPLAINED Theory design and application", 2a edição, WILLEY – 2009.

[3] HAU, E., "Wind Turbines - Fundamentals, Thechnologies, Application, Economics”,

2ª edição, Reino Unido, 2005.

[4] Acordo de Paris (2015), Disponível em:

https://pt.wikipedia.org/wiki/Acordo_de_Paris_(2015), [Acesso em Novembro de 2017].

[5] Global Wind Reports, Disponível em: http://gwec.net/publications/global-wind-

report-2/ [Acesso em Novembro de 2017].

[6] FOX, R. W; MCDONALD, A. T.; PRITCHARD, P. J.,“Introdução a Mecânica dos

Fluidos”, LTC, Sexta Edição.

[7] Airfoil Tools, http://airfoiltools.com/, [Acesso em Novembro 2017].

[8] Windy Nation, www.windynation.com/, [Acesso em Novembro de 2017].

[9] HEMAMI, A., “Wind Turbine Technology”, Cengage Learning, Nova York, 2012.

[10] BUDYNAS, R.G.; NISBETT, J.K., “Elementos de Máquinas de Shigley - Projeto

de Engenharia Mecânica”. 8ª ed., 2011.

[11] “Green” and “Sustainable”- New Age Terms For Old Philosophies, Disponível em:

http://wastetoenergysystems.com/green-and-sustainable-new-age-terms-for-an-old-

philosophy/, [Acesso em Novembro 2017].

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[12] Vento, Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Vento#Defini.C3.A7.C3.A3o,

[Acesso em Novembro 2017].

[13] Oceanos, Disponível em: http://klimat.czn.uj.edu.pl/enid/1__Oceanos_e_clima/-

_Oscila__o_Norte-Atl_ntica_309.html, [Acesso em Novembro 2017].

[14] OS MOINHOS DE ZAANSE SCHAN – HOLANDA, Disponível em:

https://onossograndequintal.com/2013/03/14/moinhos/, [Acesso em Novembro 2017].

[15] Energia Eólica, Disponível em: http://www.ventosbrasil.com/historico.html,


[16] Portal Energia, Disponível em: https://www.portal-energia.com/category/eolica/,


[17] Aerogerador de Eixo Horizontal, Disponível em:

https://evolucaoenergiaeolica.wordpress.com/aerogerador-de-eixo-horizontal/custo-

comparativo/, [Acesso em Novembro 2017].

[18] Portal ABEEólica, Disponível em: http://www.portalabeeolica.org.br/, [Acesso em

Novembro 2017].

[19] SKF, Disponível em: www.skf.com/br/, [Acesso em Novembro 2017].

[20] WEG, Disponível em: http://www.weg.net/br/, [Acesso em Novembro 2017].

[21] Mayr, Disponível em: http://www.mayr.com/br/, [Acesso em Novembro 2017].

[22] TraceParts, Disponível em: https://www.tracepartsonline.net/, [Acesso em

Novembro 2017].

[23] D. DIAS ARAÚJO, “Projeto Mecânico de um Aerogerador Horizontal Tripá”, Rio

de Janeiro, Agosto 2015.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Vento#Defini.C3.A7.C3.A3o

http://klimat.czn.uj.edu.pl/enid/1__Oceanos_e_clima/-_Oscila__o_Norte-Atl_ntica_309.html

http://klimat.czn.uj.edu.pl/enid/1__Oceanos_e_clima/-_Oscila__o_Norte-Atl_ntica_309.html

https://onossograndequintal.com/2013/03/14/moinhos/

http://www.ventosbrasil.com/historico.html

https://www.portal-energia.com/category/eolica/

https://evolucaoenergiaeolica.wordpress.com/aerogerador-de-eixo-horizontal/custo-comparativo/

https://evolucaoenergiaeolica.wordpress.com/aerogerador-de-eixo-horizontal/custo-comparativo/

http://www.portalabeeolica.org.br/

http://www.skf.com/br/

http://www.weg.net/br/

http://www.mayr.com/br/

https://www.tracepartsonline.net/

93

[24] Turbinas eólicas de eixo vertical, Disponível em:

http://www.okwind.fr/index.php/produits/eoliennes, [Acesso em Novembro 2017]

[25] Downind Rotor, Disponível em: http://www.hitachi.com/products/power/wind-

turbine/feature/rotor/index.html, [Acesso em Novembro 2017]

[26] Atlas do potencial eólico brasileiro, Disponível em: http://www2.aneel.gov.br/,

[Acesso em Novembro 2017]

[27] Anuário Estatístico de Energia Elétrica 2016. Disponível em: http://www.epe.gov.br,

[Acesso em Dezembro 2017]

[28] Composição da Tarifa. Disponível em: http://www.light.com.br/, [Acesso em

Dezembro 2017]

[29] Aerogerador Eólico. Disponível em: http://www.mercadolivre.com.br/, [Acesso em

Dezembro 2017]

http://www.okwind.fr/index.php/produits/eoliennes

http://www.hitachi.com/products/power/wind-turbine/feature/rotor/index.html

http://www.hitachi.com/products/power/wind-turbine/feature/rotor/index.html

http://www2.aneel.gov.br/

http://www.epe.gov.br/

http://www.light.com.br/

http://www.mercadolivre.com.br/

94

6 ANEXOS

Figura 47 - Fator de cálculo para rolamentos rígidos de esferas (Fabricante SKF) [19]

Figura 46 - Tabela de fator de forma AGMA para engrenagens com ângulo de pressão de 20 graus

95

Figura 48 - Tabela do catálogo de freios modelo ROBA quick elecltromagnetic do fabricante Mayr [21]

Figura 49 - Tabela do catálogo de acoplamentos do fabricante Mayr [21]

96

Figura 50 - Ficha técnica do rolamento SKF do eixo do rotor [19]

97

Figura 51 - Bucha do adaptador SKF do mancal e rolamento do rotor [19]

Figura 52 - Ficha técnica do mancal SKF do rotor [19]

98

Figura 53 - Ficha técnica SKF dos rolamentos do eixo intermediário e de saída [19]

Figura 54 - Ficha técnica do rolamento do eixo de entrada SKF [19]

99

Figura 55 - Rolamento SKF do topo da torre de sustentação [19]

Figura 56 - Ficha técnica SKF do rolamento guia do topo da torre [19]

4000

2400

VISTA ISOMÉTRICAESCALA 1:20 Peça:

05/12/2017Conjunto do Aerogerador

GUSTAVO BARBOSA SECIM DOS SANTOS 1º Diedro

Escala: 1:50

Unidade: mm

Desenho 1

UFRJProjeto Final de Graduação

Data:

Profº Armando Carlos Pina Filho

Projetista:

150

00

1668,40 4000

2400

5

46

4

38

3 45

29

6

42 40 39

43

19

41

44

37

36

35

34

33

32

31

21

28

27

26

25

2423222011 1817

16151413

30

12108 972

1

Lista de Peças

Núm. Qntd. Especificação Material e dimensões

46 4 Chaveta 7x8x25 Aço SAE 1040 (CD)

45 1 Eixo de saída Aço AISI 1040 Q&T 650ºC 300x23x23

44 1 Anel de retenção 28mm Elemento comercial


42 1 Eixo de entrada Aço AISI 1040 Q&T 650ºC 195x23x23

41 2 Rolamento SKF Explorer 62/22-2RS1 Elemento Comercial

40 1 Suporte de encaixe do conjunto Aço SAE 1030(CD)

39 1 Rolamento SKF Explorer 61826-2RZ Elemento comercial

38 1 Rolamento SKF Explorer 62214-2RS1 Elemento comercial

37 1 Seção de tubo de aço superior da torre Aço SAE 1030 (CD) 750x20x20

36 4 Seção de tubo de aço da torre Aço SAE 1030 (CD) 3500x200x200

35 32 Porca M20 Elemento comercial

34 64 Arruela M20 Elemento comercial

33 32 Parafuso sextavavo M20x65 Elemento comercial


31 10 Parafuso Sextavado M16x60 Elemento comercial

30 1 Chassi Aço comercial




26 1 Sistema de guinada Aluminio comercial


24 3 Parafuso sextavado M20x100 Elemento comercial

23 1 Motor Elétrico WEG Elemento comercial

22 1 Acoplamento Mayr ROBA-ES 24/940.122 Elemento comercial

21 1 Freio Mayr ROBA-quick 5/520.202.0 Elemento comercial

20 4 Parafuso M6x25 Elemento comercial


18 2 Engrenagem Pinhão 24 dentes Aço AISI 1050 Q&T 205ºC

17 8 Anel de retenção 23mm Elemento comercial

16 2 Engrenagem Coroa 72 dentes Aço AISI 1050 Q&T 205ºC

15 1 Eixo intermediário Aço AISI 1040 Q&T 650ºC 265x23x23

14 1 Caixa do Multiplicador Ferro Fundido

13 4 Rolamento SKF Explorer 6304-2RSH Elemento comercial

12 1 Acoplamento Mayr ROBA-ES 28/940.622 Elemento comercial


10 1 Eixo do rotor Aço AISI 1040 Q&T 650ºC 500x30x30

9 2 Bucha do adaptador SKF H2307 Elemento comercial

8 2 Rolamento SKF 2307 EKTN9 Elemento comercial

7 2 Mancal SKF SE 508-607 Elemento comercial

6 1 Nacelle Fibra de Vidro

5 1 Hub Ferro Fundido

4 3 Haste da pá Aço AISI 4130 Q&T 205ºC 1800x 34x34

3 3 Pá do aerogerador Fibra de vidro

2 21 Parafuso Sextavado M10x50 Elemento comercial

1 1 Tampa do Hub PVC

Projeto Final de Graduação

Data:

Profº Armando Carlos Pina Filho

Peça:05/12/2017Conjunto do Aerogerador

GUSTAVO BARBOSA SECIM DOS SANTOS 1º Diedro

Escala: 1:6

Unidade: mm

Desenho 1

UFRJ

Projetista:

Documents

PROJETO DE AEROGERADOR HORIZONTAL COMERCIAL …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10024721.pdf · 2 universidade federal do rio de janeiro departamento de engenharia mecÂnica