projeto de um aerogerador de eixo horizontal

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

PROJETO DE GRADUAÇÃO

PROJETO DE UM AEROGERADOR DE EIXO HORIZONTAL

RAPHAEL CARLOS FERREIRA DO FUNDO

ORIENTADOR:

FLÁVIO DE MARCO FILHO

RIO DE JANEIRO

2014



DRE: 107348353

Projeto de Graduação apresentado

ao curso de Engenharia Mecânica

da Escola Politécnica da

Universidade Federal do Rio de

Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de

Engenheiro.

Orientador:

Prof. Flávio de Marco Filho

RIO DE JANEIRO

2014

i

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ



DRE: 107348353

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. Flávio de Marco Filho; MSc (Orientador)

_________________________________________

Prof. Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto;

Dr. Ing

_________________________________________

Prof. Ricardo Eduardo Musafir; MSc

RIO DE JANEIRO

2014

ii

RESUMO

O presente trabalho apresenta um projeto de um aerogerador de eixo

horizontal que foi desenvolvido a partir de requisitos estabelecidos no início do

projeto. Foram realizados os cálculos e dimensionamentos necessários,

modeladas as partes em software especializado e, por fim, feito o desenho

final de projeto, com base nos valores obtidos e nos conhecimentos adquiridos

ao longo do curso de engenharia mecânica.

Palavras-chaves: Projeto, Aerogerador e Eixo Horizontal.

iii

ABSTRACT

This paper presents a project of a horizontal-axis wind turbine which was

developed from established requirements as project start. All dimensioning

calculations were performed, modeled parts in specialized software and, finally,

made the final project design, based on the obtained values and knowledge

acquired during the course of mechanical engineering course.

Key words: Project, wind turbine and horizontal-axis.

iv

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Turbina experimental de eixo vertical [7] ............................... 10

Figura 2 - Vestas V120 - Turbina de eixo horizontal [8] ......................... 11

Figura 3 - Aerogerador: Componentes básicos [6] ................................ 12

Figura 4- Relação entre coeficiente de solidez e TSR ........................... 13

Figura 5 - Perfil NACA 23018 ................................................................ 15

Figura 6 - Coeficientes x Ângulo de Ataque ........................................... 15

Figura 7 - Razão dos Coeficientes x Ângulo de Ataque ........................ 16

Figura 8 - Desenho esquemático da pá ................................................. 17

Figura 9 - Desenho esquemático da peça de fixação da haste ............. 23

Figura 10 - Estudo de Tensões na Fixação da Haste ............................ 23

Figura 11 - Desenho esquemático do eixo ............................................ 28

Figura 12 - Desenho esquemático da arruela ........................................ 29

Figura 13 - Informações relevantes da arruela ...................................... 29

Figura 14 - Representação do freio ....................................................... 32

Figura 15 - Informações relevantes do freio .......................................... 32

Figura 16 - Informações relevantes do redutor ...................................... 34

Figura 17 - Informações relevantes do gerador ..................................... 35

Figura 18 - Desenho esquemático da base (parte 1) ............................. 36

Figura 19 - Desenho esquemático da base (parte 2) ............................. 37

Figura 20 - Estudo de Tensões na Base................................................ 37

Figura 21 - Desenho ilustrativo da carcaça ............................................ 38

Figura 22 - Representação dos pinos de fixação da carcaça ................ 38

Figura 23 - Desenho esquemático da parte superior da carcaça .......... 39

Figura 24 - Desenho esquemático da carcaça ...................................... 40

Figura 25 - Desenho esquemático da parte inferior traseira da carcaça 41

Figura 26 - Desenho esquemático da torre (parte 3) ............................. 44



Figura 29 - Desenho ilustrativo do sistema de posicionamento ............. 47

Figura 30 - Desenho esquemático do sistema de posicionamento ........ 50

Figura 31 - Desenho esquemático do sistema de posicionamento ........ 51

v

Figura 32 - Desenho esquemático dos rolamentos ............................... 52

Figura 33 - Dados relevantes dos rolamentos ....................................... 52

Figura 34 - Desenho ilustrativo do sistema de articulação da torre ....... 53

Figura 35 - Desenho esquemático do suporte de içamento................... 55

Figura 36 - Desenho esquemático do suporte de içamento................... 55

Figura 37 - Estudo de tensões no suporte de içamento........................ 56

Figura 38 - Estudo de tensões no suporte de içamento........................ 56

Figura 39 - Estudo de Tensões no Gancho ........................................... 57

Figura 40 - Informações relevantes do cabo de aço .............................. 58

Figura 41 - Informações relevantes do esticador ................................... 59

Figura 42 - Informação relevante do grampo ......................................... 59

Figura 43 - Informação relevante da sapatilha ....................................... 60

vi

SUMÁRIO

RESUMO .................................................................................................. ii

ABSTRACT .............................................................................................. iii

LISTA DE ILUSTRAÇÕES ....................................................................... iv

INTRODUÇÃO ......................................................................................... 7

SURGIMENTO E UTILIZAÇÃO DOS PRIMEIROS "CATA-VENTOS" .... 8

AEROGERADORES: CLASSIFICAÇÃO ................................................. 9

CONFIGURAÇÃO BÁSICA DE UM AEROGERADOR HORIZONTAL .. 11

PROJETO DO AEROGERADOR .......................................................... 12

CÁLCULO DA POTÊNCIA DISPONÍVEL NO VENTO ....................... 12

DETERMINAÇÃO DA SUPERFÍCIE DAS PÁS .................................. 13

CÁLCULO DA POTÊNCIA DO AEROGERADOR .............................. 14

PÁ EÓLICA......................................................................................... 15

HASTES DAS PÁS ............................................................................. 17

FIXAÇÃO DA HASTE ......................................................................... 23

CUBO ................................................................................................. 24

EIXO ................................................................................................... 25

PORCA DE SEGURANÇA ................................................................. 28

CHAVETA........................................................................................... 29

MANCAL DE ROLAMENTO ............................................................... 30

FREIO ................................................................................................ 32

ACOPLAMENTO ................................................................................ 33

REDUTOR .......................................................................................... 34

GERADOR ......................................................................................... 35

BASE .................................................................................................. 36

CARCAÇA .......................................................................................... 38

vii

TORRE ............................................................................................... 42

SISTEMA DE POSICIONAMENTO ................................................. 47

ARTICULAÇÃO DE IÇAMENTO DA TORRE ................................. 53

PINO DA TORRE ............................................................................ 53

SUPORTE ....................................................................................... 54

GANCHO ............................................................................................ 56

CABOS DE AÇO ................................................................................ 57

FUNDAÇÃO ....................................................................................... 60

CONCLUSÃO ........................................................................................ 61

BIBLIOGRAFIA ...................................................................................... 62

7

INTRODUÇÃO

O Brasil há alguns anos vem sofrendo com o problema de geração de

energia elétrica, fato este que ficou evidente no ano de 2001 pelo que

popularmente foi chamada "crise do apagão". Naquele ano, por falta de

chuvas, no período entre julho e setembro, o país passou por uma grave crise

de geração de energia elétrica chegando ao ponto do governo levantar a

hipótese de interrupção forçada no fornecimento de energia para algumas

regiões. Esta ideia, que causaria severas perdas na economia, não precisou

ser posta em prática devido à uma grande mobilização da sociedade e aos

incentivos propostos pelo governo.

O fato da matriz energética elétrica brasileira se concentrar basicamente

na geração pelas usinas hidrelétricas e, evidentemente, depender de um nível

mínimo em seus respectivos reservatórios, aliado ao longo período sem

chuvas, contribuiu imensamente para essa crise. Apesar deste quadro

alarmante, pouco tem sido feito para diversificar as fontes energéticas

brasileiras. Este fato aliado ao aumento natural na demanda de energia

elétrica, têm contribuído para a utilização de formas não tão limpas e não

renováveis. Atualmente a principal fonte de geração de energia elétrica

brasileira são as usinas hidráulicas, sendo auxiliadas, principalmente, por

usinas termelétricas nos momentos de maior consumo.

Segundo dados disponibilizados pela Empresa de Pesquisa Energética -

EPE, do Ministério de Minas e Energia, através do Balanço Energético

Nacional - BEN 2012 - ano base 2011, o consumo de energia elétrica no Brasil

cresceu 3,6% em relação ao ano de 2010. Também segundo esta publicação,

a participação de energia hidráulica na matriz energética brasileira

correspondeu a 81,7% em 2011, enquanto a participação total de renováveis

(hidráulica, eólica, solar...) na matriz mundial corresponde a apenas 19,5%.

Atualmente a maior parte da energia, seja elétrica ou não, utilizada pela

humanidade é oriunda dos chamados combustíveis fósseis, constituída

principalmente pelo petróleo e seus derivados, o carvão e o gás natural [1].

A energia gerada pelas usinas hidrelétricas é relativamente limpa, já que

somente converte a energia potencial da água em energia elétrica e a poluição

provêm apenas da construção da usina e de formas secundárias na produção,

8

sendo essas quase insignificantes. Entretanto, a energia gerada por fontes

termelétricas não é igualmente limpa. A queima, seja ela de carvão, óleo

combustível ou gás natural, gera gases poluentes e ainda é uma fonte não

renovável de energia.

Com o intuito de diversificar a produção ou até mesmo substituir essa

forma mais poluente de geração de energia elétrica, esse projeto visa projetar

um aerogerador para aproveitar as grandes correntes de vento existentes no

Brasil e assim gerar energia elétrica através da energia dos ventos. Vale

lembrar que esse tipo de geração de energia é considerada renovável e de

baixo impacto ambiental. Além disso, os gastos para esta forma de

aproveitamento de energia resumem-se à construção do aerogerador e

eventuais reparos no mesmo, não sendo necessário qualquer gasto com o

"combustível".

SURGIMENTO E UTILIZAÇÃO DOS PRIMEIROS "CATA-

VENTOS"

Historicamente, os primeiros "cata-ventos" tiveram origem na agricultura

pela necessidade do homem em encontrar formas de substituir o seu trabalho

físico. A moagem de grãos e o bombeamento de água exigiam muita energia

braçal, assim como consumiam muito tempo para serem executadas. As

primeiras ferramentas para estas funções tinham como forças motrizes o

próprio homem ou utilizavam-se de tração animal, mas otimizavam este

trabalho com o auxílio de um eixo e braços de alavanca. Com o passar do

tempo, percebeu-se que poderiam ser construídas ferramentas ainda melhores

para utilizar também a força de rios e de quedas d'água, surgindo assim os

primeiros eixos movidos à quedas d'água. Como não existiam quedas d'água

em todas as regiões para o aproveitamento em rodas d'água, surgiu a ideia de

aproveitar a energia dos ventos em ferramentas semelhantes, assim surgiram

os primeiros moinhos de vento[2].

Existem relatos de diversas aplicações diferentes e em diversas partes

do mundo da utilização da energia proveniente dos ventos. Existem relatos

informais do uso de moinhos de vento no Japão e na China por volta de 2000

9

a.C. e na Babilônia por volta de 1700 a.C. O primeiro registro formal da

utilização da energia eólica numa espécie de moinho de vento data de 200 a.C.

na Pérsia (onde atualmente encontra-se o Irã) e suas funções eram

bombeamento de água, assim como moagem de grãos [3].

A utilização destes moinhos de vento para geração de energia elétrica

foi pioneiramente utilizada na Dinamarca há pouco mais de cem anos. Desde

então, muito tem se pesquisado à respeito deste assunto para que esta

aplicação torne-se mais viável tanto pelo aspecto técnico, como pelo aspecto

econômico [4].

AEROGERADORES: CLASSIFICAÇÃO

Os aerogeradores são classificados preliminarmente quanto à sua forma

de construção. Existem duas formas de disposição:

Aerogeradores de eixo horizontal;

Aerogeradores de eixo vertical;

Também pode-se classificá-los quanto ao número de pás:

Monopá (somente uma pá);

Bipás (duas pás);

Tripás (três pás);

Multipás (4, 6 ou mais pás);

Outra forma de classificação é devido à sua potência nominal:

Pequeno porte (até 50kW de potência);

Médio porte (entre 50kW e 1MW de potência);

Grande porte (acima de 1MW de potência);

AEROGERADORES DE EIXO VERTICAL

Aerogeradores de eixo vertical não são tão eficientes como os mais

comuns aerogeradores de eixo horizontal, mas tem o benefício de ter uma

velocidade de arranque mais baixa o que lhes dá vantagem em condições de

vento reduzido. Também tendem a ser mais seguros, podem ser montados

mais perto do solo e lidam muito melhor com condições de turbulência [5].

10

Em geral, os rotores de eixo vertical também têm a vantagem de não

necessitarem de mecanismos para variações da direção do vento, fato este

que torna o projeto muito menos complexo e reduz os esforços devidos as

forças de Coriolis. Os principais tipos de rotores de eixo vertical são Darrieus,

Savonius e turbinas com torre de vórtices. Os rotores do tipo Darrieus são

movidos por forças de sustentação e constituem-se de lâminas curvas (duas ou

três) de perfil aerodinâmico, atadas pelas duas pontas ao eixo vertical [6].

Figura 1 - Turbina experimental de eixo vertical [7]

AEROGERADORES DE EIXO HORIZONTAL

Aerogeradores de eixo horizontal tem uma maior eficiência do que os

aerogeradores de eixo vertical, no entanto a direção do vento é bastante

relevante nesse tipo de construção e por isso é necessário um mecanismo que

identifique a direção do vento e corrija a direção do aerogerador, o que causa

perda de energia e de tempo. Em condições de turbulência com mudanças

rápidas de direção do vento é gerada mais eletricidade por um aerogerador de

eixo vertical, apesar da sua menor eficiência [5].

Os rotores de eixo horizontal são os mais comumente utilizados. São

movidos por forças aerodinâmicas chamadas de forças de sustentação (lift) e

forças de arrasto (drag). Entretanto, os que giram predominantemente sob o

efeito de forças de sustentação são capazes de gerar muito mais energia do

que aqueles que giram sob efeito de forças de arrasto, para uma mesma

velocidade de vento. Por esse motivo, os rotores de eixo horizontal são, em

escala mundial, majoritariamente movidos por forças de sustentação e devem

possuir mecanismos capazes de permitir que o disco varrido pelas pás esteja

sempre em posição perpendicular ao vento.

11

Quanto à posição do rotor em relação à torre, o disco varrido pelas pás

pode estar a jusante do vento (down wind) ou a montante do vento (up wind).

No primeiro caso, a “sombra” da torre provoca vibrações nas pás. No segundo

caso, a “sombra” das pás provoca esforços vibratórios na torre. Sistemas a

montante do vento necessitam de mecanismos de orientação do rotor com o

fluxo de vento, enquanto nos sistemas a jusante do vento, a orientação realiza-

se automaticamente [6].

Figura 2 - Vestas V120 - Turbina de eixo horizontal [8]

CONFIGURAÇÃO BÁSICA DE UM AEROGERADOR

HORIZONTAL

Em geral, os aerogeradores mais utilizados para geração de energia

elétrica são os de eixo horizontal do tipo hélice, normalmente compostos de 3

pás. Em alguns casos, para velocidades médias muito altas e possibilidade de

geração de maior ruído acústico utiliza-se aerogerados com 1 ou 2 pás,

entretanto estes ainda são preteridos em relação ao de 3 pás.

As principais configurações de uma turbina eólica de eixo horizontal

podem ser vistas na figura abaixo. Estas turbinas são diferenciadas pelo

tamanho e formato da nacele, a presença ou não de uma caixa multiplicadora e

o tipo de gerador utilizado (convencional ou multi-polos).

12

Figura 3 - Aerogerador: Componentes básicos [6]

PROJETO DO AEROGERADOR

O objetivo deste projeto é desenvolver um aerogerador de eixo

horizontal de modo a aproveitar a incidência de ventos em uma determinada

região de velocidade constante e igual a 8 m/s, a uma altura de 10m do solo.

Pelo projeto, o aerogerador terá 3 pás, um diâmetro de rotor igual a 4m e vida

útil de aproximadamente 20 anos. Será projetado também para este

aerogerador um sistema de controle do ângulo de passo.

CÁLCULO DA POTÊNCIA DISPONÍVEL NO VENTO

Para o dimensionamento do aerogerador é necessário obter-se a

potência máxima disponível no vento, considerando os parâmetros propostos

para este aerogerador.

A Potência elétrica pode ser calculada por [4]:

onde:

= Potência disponível no vento:

- densidade do ar no local; kg/m³

= velocidade nominal do vento de geração;

- Área varrida pelas pás, calculada por:

13

onde:

D = Diâmetro do rotor; D = 4 m

Logo,

Então,

DETERMINAÇÃO DA SUPERFÍCIE DAS PÁS

Para a determinação da superfície de cada pá que compõe o rotor,

primeiramente deve-se determinar o coeficiente de solidez e a razão de

velocidades na pá. Abaixo podemos encontrar a determinação destes

parâmetros proposto por [9].

Coeficiente de solidez (Ω) é a razão entre a área total das pás e a área

varrida pelas mesmas. Isto é:

onde:

S - é a superfície de cada pá do rotor;

Z - é o numero de pás do aerogerador; Z = 3

- área do rotor; A = 12,566 m² (mostrada acima)

Assim, podemos calcular a área de cada uma das pás por:

Ω

Pelo Figura 4 podemos encontrar o valor de Ω:

Figura 4- Relação entre coeficiente de solidez e TSR

14

TSR (Razão de velocidade na pá) é relação entre a velocidade linear

(m/s) da extremidade da pá da turbina de raio r (m), rodando à velocidade w

(rad/s), e a velocidade do vento v (m/s). O valor da razão de velocidades pode

ser obtido pela fórmula:

onde:

- velocidade angular das pás;

r - raio do rotor;

- velocidade nominal do vento;

Respeitando a recomendação de [9], onde a razão de velocidade na pá deve ter valor entre 3 e 7, escolhemos o valor de 5 e, desta forma pela Figura 4, temos que:

Ω = 0,1

Assim,

Ω

CÁLCULO DA POTÊNCIA DO AEROGERADOR

A potência produzida pelo aerogerador proposto com as respectivas

condições de projeto pode ser calculada por:

onde:

- Rendimento da turbina;

- Rendimento elétrico; = 0,8

- Rendimento do multiplicador de velocidade; = 0,95

- Coeficiente de Betz;

- densidade do ar no local; kg/m³

D = Diâmetro do rotor; D = 4 m

= velocidade nominal do vento de geração;

Assim,

15

PÁ EÓLICA

As pás eólicas serão fabricadas a partir de laminado reforçado com

tecido de fibra de vidro e impregnado com resina epóxi. Este material possui

excelentes propriedades mecânicas e elétricas, baixa absorção de água e um

acabamento excelente. Em função de maior simplicidade na fabricação, as pás

serão retas com perfil NACA 23018 [5]. Deve-se ressaltar que em projetos de

aerogeradores normalmente é utilizado o perfil de pá NACA 4412 ou NACA

4418, entretanto este perfil NACA 23018 mostrou-se mais eficiente para as

condições deste projeto. Este perfil apresenta uma razão maior entre o

coeficiente de sustentação e o coeficiente de arrasto (Figura 7), enquanto

também apresenta valores compatíveis para o coeficiente de sustentação

(Figura 6). Na Figura 5 pode ser visto o desenho do perfil NACA 23018.

Figura 5 - Perfil NACA 23018

Figura 6 - Coeficientes x Ângulo de Ataque

16

Figura 7 - Razão dos Coeficientes x Ângulo de Ataque

Abaixo os cálculos para obtenção das dimensões referentes à pá:

Cálculo do Comprimento da pá:

onde:

D - Diâmetro do rotor; D = 4 m;

R - Raio do cubo; R = 0,05 m;

- Distância necessária para montagem do sistema de controle de

passo; = 0,27 m

Logo,

Cálculo da Largura da pá:

onde,

S - Superfície da pá; S = 0,419 m²

L - Comprimento da pá; L = 1,68 m

Com a finalidade de diminuir o peso das pás, as mesmas terão apenas

um camada do laminado reforçado e em seu interior haverá um material de

17

baixa densidade para alojar uma haste, que resistirá aos esforços e transmitirá

o movimento ao rotor do aerogerador.

Para o perfil de pá escolhido, foi escolhido o ângulo de ataque de modo

a obter a melhor relação sustentação vs. arrasto para produção de grande

componente tangencial nas pás e, consequentemente, alto torque no rotor. Foi

escolhido um ângulo de ataque de 10°. Para o dimensionamento básico de

alguns elementos, será considerado um ângulo de passo igual a 5° (ângulo

recomendado e usualmente utilizado para condições de projeto semelhantes a

esta).

Figura 8 - Desenho esquemático da pá

HASTES DAS PÁS

Como anteriormente citado, as pás terão no seu interior uma haste

capaz de suportar todos os esforços resultantes da operação. A haste da pá

será posicionada no centro aerodinâmico do perfil, de modo que a resultante

dos esforços de torção sobre as pás sejam nulos. A pá será fabricada a partir

de uma barra circular de aço AISI 4140.

18

De modo a dimensionar a haste, esta será modelada como uma viga

engastada na horizontal. Tal escolha se deve ao fato de que nesta posição

temos o pior caso de trabalho, onde os pesos envolvidos têm maior braço de

alavanca.

Serão considerados na análise as forças de arrasto e de sustentação,

assim como o peso próprio da haste e o peso da pá (perfil de fibra de vidro e

epóxi). Também será considerado para caso extremo um vento cinco vezes

maior do que a velocidade do vento de projeto.

Para o dimensionamento desta haste foi proposto o Aço AISI 4140 pelo

fato de combinar uma boa resistência mecânica e resistência à fratura. Além

disso, possui elevada resistência à fadiga.

Material da haste: Aço AISI 4140 Temperado e Revenido à 425ºC Resistência à tração:

Escoamento:

Módulo de Elasticidade:

Alongamento:

Redução de área:

Dureza:

Bitola da Haste:

Momento de inércia:

Comprimento da pá eólica:

Volume da pá:

19

Massa específica da pá:

Massa da pá:

Comprimento da haste:

Massa da haste:

Massa total:

Peso da pá:

Carga distribuída:

Para efeitos de cálculos simplificados, será considerado o peso

distribuído sobre a haste superposto com uma carga horizontal resultante

atuando na ponta da haste. Será apresentado abaixo o diagrama de momento

fletor e esforço cortante na gaste:

Representação da haste modelada como uma viga engastada com peso

distribuído:

Diagrama de esforço cortante:

ω1

0 mm 1900 mm

1523 N

20

Diagrama de momento fletor:

Relativa à carga distribuída (Peso da pá): Momento Fletor Máximo:

Esforço Cortante Máximo:

Tensão Normal:

Tensão Cisalhante:

Deflexão Máxima:

Considerando a carga aerodinâmica como no pior caso possível, como

uma força atuando na ponta da haste: Velocidade Máxima dos Ventos:

Área Longitudinal da pá:

Coeficiente de arrasto:

Coeficiente de sustentação:

Ângulo de ataque da pá:

Ângulo de passo da pá:

16513 Nm

21

Massa Específica do ar:

Projeção da sustentação e do arrasto:

Força:

Representação da haste modelada como uma viga engastada com a

força resultante referente o vento: Diagrama de esforço cortante:


Relativa à projeção do arrasto e da sustentação: Momento Fletor Máximo:

Esforço Cortante Máximo:

Tensão Normal:

331,3 N

-646,062 Nm

331,3 N

22

Tensão Cisalhante:

Deflexão Máxima:

Sobrepondo os casos, temos: Tensão Normal Resultante:

Tensão Cisalhante Resultante:

Usando o critério MED (Máxima Energia de Distorção), temos: Tensão de Von Mises:

Deflexão Resultante:

Fator de Segurança:

23

FIXAÇÃO DA HASTE

A fixação da haste é uma espécie de flange com um furo no meio onde

irá passar apenas a haste. Esta peça permitirá a rotação da haste ao redor do

seu próprio eixo e ao mesmo tempo manterá a haste fixa axialmente

juntamente com o rolamento da mesma.

Foi feita uma simulação com o programa Solid Works com todos os

esforços e nesta simulação comprovou-se que a peça resiste perfeitamente

aos esforços aplicados. Abaixo a figura mostra a peça com a tensão de Von

Mises geral e o respectivo limite de escoamento.

Figura 9 - Desenho esquemático da peça de fixação da haste

Figura 10 - Estudo de Tensões na Fixação da Haste

24

CUBO

O cubo é a peça no centro das três pás, capaz de sustentá-las e

transmitir a rotação ao eixo de baixa rotação. Será fabricado a partir de uma

esfera maciça de aço AISI 4340, normalizado a 870°C e, posteriormente

usinado para ficar com as dimensões e formas de projeto. As hastes serão

fixadas no cubo por oito parafusos M6. Esse cubo tem um furo passante onde

será alojado o eixo e tal alojamento será feito por uma chaveta descrita a

seguir.


esforços e nesta simulação comprovou-se que a peça atende perfeitamente o

trabalho. Abaixo a figura mostra a peça com a tensão de Von Mises geral e o

respectivo limite de escoamento.No anexo 6 pode ser visto o desenho desta

peça.

Figura 12 - Estudo de Tensões no Cubo

Figura 11 - Desenho esquemático do cubo

25

EIXO

O eixo é o responsável por transmitir a potência extraída do vento pelas

pás até o multiplicador de velocidade. No eixo serão acoplados dois mancais

de rolamento e entre eles um freio.

De modo a dimensionar o eixo, este será modelado como uma viga bi-

apoiada (exatamente no lugar dos mancais), sob a ação de uma força na ponta

referente ao conjunto formado pelo rotor, pelas pás e pelas hastes.

Material da haste: Aço AISI 4140 Revenido à 205ºC

Resistência à tração:

Escoamento:


Alongamento:

Redução de área:

Dureza:

Abaixo, representação do eixo modelado como uma viga bi-apoiada com

carga na ponta:

Fe

Rb Ra

26

Diagrama de esforço cortante:


Hipótese: Eixo bi-apoiado em A e B

Distância de 0 a :

Distância de a A:

Distância de A a :

Cálculo do Diâmetro Considerando Flexão Variável Combinada e

Torção Variável:

onde,

- Diâmetro mínimo encontrado inicialmente;

- Fator de Segurança considerado inicialmente;

- Momento Fletor Máximo;

- Torque máximo; (referente ao freio)

A B

B A

2041 N

-1458 N

-277 Nm

27

- Reação do rolamento no ponto A.

- Reação do rolamento no ponto B.

- Força devido ao peso do conjunto rotor. =

- Somatório das massas na ponta do eixo;

Diâmetro Encontrado:

Diâmetro Proposto:

Conforme calculado acima, o diâmetro mínimo encontrado é igual a 28

mm. Como forma de garantir um fator de segurança com valor aceitável

também para o critério de falha por fadiga resultante de carregamento variável,

será adotado um valor de diâmetro igual a 30mm.

Fator de Segurança segundo o critério de falha por fadiga

resultante de carregamento variável:

onde,

- Diâmetro proposto;

- Fator de modificação de condição de superfície; = 0,783

- Fator de modificação de tamanho; = 0,862

- Fator de modificação de carga; = 0,59

- Fator de modificação de temperatura. = 1

- Fator de cofiabilidade. = 0,814

- Fator de modificação por efeitos variados. = 1

- Resistência à tração;

- Momento Fletor Máximo;

- Torque máximo; (referente ao freio)

- Reação do rolamento no ponto A.

28

- Reação do rolamento no ponto B.

- Força devido ao peso do conjunto rotor. =

- Somatório das massas na ponta do eixo;

Figura 11 - Desenho esquemático do eixo

PORCA DE SEGURANÇA

De modo a garantir que o cubo permaneça conectado ao eixo, mesmo

em algum caso extremo de vento contrário abruptamente, tem-se um

dispositivo de segurança projetado com esta finalidade. Este dispositivo é

composto por uma arruela de fixação e uma porca de fixação. Esta porca será

enroscada no eixo na parte frontal do cubo, logo após a arruela de fixação.

Porca de Fixação:

Figura 14 - Desenho esquemático da porca de fixação

Figura 15 - Informações relevante da porca de fixação

29

Arruela:

CHAVETA

Para a transmissão do movimento do cubo para o eixo, como citado

anteriormente, será utilizada uma chaveta. Esta chaveta segue os padrões

ABNT e será fabricada em aço AISI 1020 Laminado.

Material da haste: Aço AISI 1020 Laminado


Escoamento:

Alongamento:

Redução de área:

Dureza:

Cálculo do Fator de Segurança para compressão:

onde:

- Limite de escoamento do material;

Figura 12 - Desenho esquemático da arruela

Figura 13 - Informações relevantes da arruela

30

- Tensão de compressão;

- Diâmetro do eixo na seção da chaveta;

- Largura da chaveta:

- Comprimento da chaveta;

Cálculo do Fator de segurança para cisalhamento:

onde:


- Tensão de cisalhamento;

- Diâmetro do eixo na seção da chaveta;

- Largura da chaveta:

- Comprimento da chaveta;

MANCAL DE ROLAMENTO

Os mancais de rolamento serão os responsáveis por suportar toda a

carga ao conjunto rotor e também por garantir um bom alinhamento para o

eixo.

Descrição: Rolamento Autocompensador de Rolo

Rolamentos formados pelo anel interno com duas

pistas, anel externo com pista esférica e os rolos com a

superfície de rolagem esférica. Devido ao centro da pista

esférica do anel externo ser coincidente ao centro do

rolamento, permite o auto-alinhamento como os rolamentos

autocompensadores de esferas.

31

Consequentemente, quando houver erros de alinhamento em eixos e

alojamentos ou flexão do eixo, são automaticamente ajustados, fazendo com

que não ocorram cargas anormais no rolamento.

Os rolamentos autocompensadores de rolos permitem o apoio da carga

radial e em ambos os sentidos a carga axial. A capacidade de carga radial é

grande e são adequados para aplicações com cargas pesadas e cargas de

choque.

Figura 18 - Informações relevantes caixa do rolamento

Figura 19 - Informações relevantes do rolamento

32

FREIO

Para casos de emergência, ou até mesmo para eventuais paradas para

vistoria e manutenção, foi escolhido um freio comercial e evidentemente tal

freio deverá ter um torque nominal de frenagem superior ao torque de projeto

transmitido pelo eixo. Foi selecionado um freio de acionamento

eletromagnético, o qual fica suspenso enquanto não está acionado e permite o

giro livre do eixo. Quando o mesmo é acionado, abre-se a corrente elétrica do

circuito do freio, o campo magnético diminui e permite que a atuação do freio.

Abaixo informações relevantes sobre o freio.

Figura 14 - Representação do freio

Figura 15 - Informações relevantes do freio

33

ACOPLAMENTO

O acoplamento é a peça que transmitirá a rotação do eixo para o

multiplicador de velocidade.

Figura 22 - Informações relevantes do acoplamento

34

REDUTOR

O redutor foi escolhido de modo que a rotação de entrada no gerador

seja o mais próximo possível da rotação nominal do mesmo, a qual considera-

se ser a rotação de máxima eficiência. A rotação nominal do gerador é de 1715

RPM e a rotação calculada para o eixo é de 190 RPM (esta rotação pode ser

ajustada com o controle de passo), portanto foi escolhido um redutor com razão

de transmissão igual a 10.

Foi selecionado um redutor coaxial com entrada do tipo flange lanterna,

o qual se conecta diretamente ao gerador e dispensa a utilização de um eixo

de alta rotação.

Figura 16 - Informações relevantes do redutor

35

GERADOR

Será utilizado como gerador um motor trifásico de baixa tensão de alto

rendimento.

Figura 17 - Informações relevantes do gerador

36

BASE

A base suspensa do aerogerador é uma peça bastante crítica e foi

projetada de forma a otimizar a acomodação de todos os componente e

permitir um bom alinhamento nos rolamentos, por exemplo, pois os mesmos

necessitam estar alinhados para que o funcionamento seja perfeito.

Figura 18 - Desenho esquemático da base (parte 1)

37




respectivo limite de escoamento.

Figura 19 - Desenho esquemático da base (parte 2)

Figura 20 - Estudo de Tensões na Base

38

CARCAÇA

A carcaça não tem qualquer função de sustentação, sua função consiste

apenas em proteger as peças internas da ação da chuva. Será dividida em três

partes e a montagem será feita com auxílio de pinos. Como forma de auxiliar o

posicionamento dinâmico, esta peça terá um leme.

Figura 21 - Desenho ilustrativo da carcaça

Figura 22 - Representação dos pinos de fixação da carcaça

39

Figura 23 - Desenho esquemático da parte superior da carcaça

40

Figura 24 - Desenho esquemático da carcaça

41

Figura 25 - Desenho esquemático da parte inferior traseira da carcaça

42

TORRE

Para as condições de trabalho propostas neste projeto, temos uma

massa suspensa pela torre de 275 kg. Como forma de minimizar os efeitos da

flambagem, recomenda-se que seja utilizado um fator de segurança segundo o

critério de Euller de no mínimo 8. Assim, este critério será adotado e explicitado

abaixo.

A torre será analisada como no pior caso possível, onde estaria apoiada

pela base funcionando como uma viga na horizontal.



Escoamento:

Módulo de elasticidade:

Alongamento:

Redução de área:

Dureza:

Cálculo do Fator de Segurança segundo o critério de Euller:

onde:

- Massa total suspensa pela torre; = 275 kg

- Constante gravitacional; g = 9,81 m/s²

- Fórmula da coluna de Euller;

43

- Módulo de elasticidade;

- Momento de inércia do tubo;

- Diâmetro do tubo;

H - Altura da torre; H = 10 m

Cálculo do Fator de Segurança usando o critério de MED (Máxima

Energia de Distorção):

onde:

FS - Fator de Segurança;

- Fator de Escoamento;

- Tensão de Von Mises;

- Massa específica do tubo; = 28,5 kg/m³

- Altura da torre; = 10 m

- Constante gravitacional; g = 9,81 m/s²

- Diâmetro do tubo;

Assim,

Devido ao tamanho dos tubos comerciais serem limitados a 6m e

também ao sistema de içamento, a torre será dividida em três partes. A

primeira parte terá 1m, será flangeada nas duas extremidades, sendo uma das

extremidades fixa no chão por parafusos e a outra terá um flange para fixar a

continuação da torre. Ela também terá um suporte para o encaixe da

articulação de içamento da torre. A segunda parte terá 6m, será flangeada nas

44

duas extremidades, sendo uma das extremidades fixa no na primeira parte da

torre por parafusos e a outra terá um outro flange para fixar a continuação da

torre. A terceira parte terá 3m e será flangeada na parte inferior para a ligação

com a segunda parte da torre. A outra extremidade não terá flange e é onde o

sistema de posicionamento será encaixado.

Figura 26 - Desenho esquemático da torre (parte 3)

45


46


47

SISTEMA DE POSICIONAMENTO

O sistema de posicionamento será responsável pela conexão da torre à

base suspensa. Será composto de um eixo, dois rolamentos e um suporte.

Figura 29 - Desenho ilustrativo do sistema de posicionamento

O eixo será dimensionado considerando o apoio em dois rolamentos

como mostrado na representação abaixo. Este eixo será fabricado em Aço

4140 pelo fato de combinar uma boa resistência mecânica e resistência à

fratura. Além disso, possui elevada resistência à fadiga.

Material da haste: Aço AISI 4140 Revenido à 205ºC


Escoamento:


48

Alongamento:

Redução de área:

Dureza:

Hipótese: Eixo bi-apoiado em A e B

Distância de 0 a :

Distância de a B:

Distância de B a :

Cálculo do Fator de Segurança do Eixo:

onde:

- Tensão de Escoamento;


- Tensão normal;

- Tensão Cisalhante;

- Peso acima da torre;

- Área da seção mais solicitada;

Fe

Ra Rb

49

- Diâmetro externo do eixo;

- Momento fletor máximo;

- Momento de inércia do tubo;

- Esforço cortante máximo;

- Diâmetro interno do eixo;

- Reação do apoio A;

- Reação do apoio B;

- Distância entre os apoios A e B;

O momento relativo ao arrasto foi desconsiderado por ter um braço de

alavanca muito pequeno. Tal fator não teria representatividade no cálculo do

fator de segurança.

50

Figura 30 - Desenho esquemático do sistema de posicionamento

51

Figura 31 - Desenho esquemático do sistema de posicionamento

52

Escolha dos Rolamentos

Figura 32 - Desenho esquemático dos rolamentos

Figura 33 - Dados relevantes dos rolamentos

53

ARTICULAÇÃO DE IÇAMENTO DA TORRE

Devido ao fato de a base suspensa ter dimensões modestas e que

dificilmente dariam as condições necessárias para um trabalhador permanecer

ali enquanto conserta algum equipamento do aerogerador, teve-se a idéia de

ao invés do trabalhador ter que subir até a base suspensa, a torre, de forma

bem simplificada, será projetada com uma articulação de forma que a base

possa ser suspensa e abaixada a qualquer momento.

Figura 34 - Desenho ilustrativo do sistema de articulação da torre

PINO DA TORRE



Escoamento:

Alongamento:

54

Redução de área:

Dureza:

Cálculo do Fator de Segurança:

onde:



- Tensão cisalhante;

- Peso acima da articulação;

- Área de seção do pino;

- Diâmetro do pino;

SUPORTE

O suporte será a peça onde ficará alojado o pino de içamento. Todo o

conjunto será responsável por colocar e sustentar o aerogerador na vertical.

Material da haste: Aço AISI 4130 Recozido


Escoamento:


Alongamento:

55

Redução de área:

Dureza:

Parte Superior:

Figura 35 - Desenho esquemático do suporte de içamento

Parte Inferior:

Figura 36 - Desenho esquemático do suporte de içamento


esforços e nesta simulação comprovou-se que a peça atende perfeitamente ao

trabalho. Abaixo a figura mostra as peças com a tensão de Von Mises geral e o


56

Suporte Inferior:

Suporte superior:

GANCHO

O gancho será utilizado no momento do içamento da torre e após a

colocação do aerogerador no seu lugar definitivo para auxiliar a estabilização

do aerogerador. Este gancho será soldado na torre.

Figura 37 - Estudo de tensões no suporte de içamento

Figura 38 - Estudo de tensões no suporte de içamento

57





Figura 39 - Estudo de Tensões no Gancho

CABOS DE AÇO

Segundo norma, os estais devem ser do tipo cordoalha de sete fios com

alma de aço zincado. O diâmetro mínimo de cada fio deve ser de 2,6mm e tais

estais devem ter coeficiente de segurança mínimo igual a dois.

As extremidades das cordoalhas devem ser protegidas com grampos

zincados, utilizando-se cinco grampos fixados em intervalos equivalentes a

medida de cinco diâmetros da cordoalha.

Os cabos de aço serão fixados por sapatilhas aos ganchos soldados à

torre a uma altura de 7,90m do solo, portanto aproximadamente distante 0,10m

da área de varredura das pás. Preso ao chão as sapatilhas serão ligadas a

esticadores.

Para dimensionamento dos cabos considerou-se o caso limite no qual a

força de arrasto atua axial ao cabo e concentra-se em somente um deles.

Diâmetro do cabo:

Densidade da cordoalha:

58

Carga mínima de ruptura:

Cálculo do Fator de Segurança:

onde:

- Fator de Segurança relativo ao cabo de aço;

- Carga mínima de escoamento;

- Carga mínima de ruptura;

- Força de arrasto;

Figura 40 - Informações relevantes do cabo de aço

59

Figura 41 - Informações relevantes do esticador

Figura 42 - Informação relevante do grampo

60

Figura 43 - Informação relevante da sapatilha

FUNDAÇÃO

A fundação da torre será um cubo de 1m de aresta de concreto armado,

enquanto a fundação de cada um dos estais terá 200mm x 200mm e 1m de

profundidade.

61

CONCLUSÃO

O aerogerador de eixo horizontal apresentado foi projetado para ter uma

vida média de 20 anos. A ideia básica era, assim como num projeto real,

otimizar a construção, o funcionamento e baratear ao máximo as despesas.

Na parte construtiva, foi escolhido que o conjunto situado acima da

primeira parte da torre fosse auto elevável, assim a montagem poderia ser feita

no solo, assim como futuros reparos.

Ainda como ideia de otimização na parte construtiva, foi escolhido um

sistema com cabo de aço para sustentar o conjunto como forma de diminuir o

diâmetro da torre.

Na parte orçamentária, a seleção do material das peças procurou

atender aos fatores econômicos, mas a falta de informações disponíveis com

relação à preços impossibilitou esta otimização. Em vista deste fato, foram

escolhidos de forma razoável os materiais, mas sem muita preocupação com o

custo.

62

BIBLIOGRAFIA

[1] EPE, Balanço Energético Nacional 2008: Ano base 2011, EPE, 2012. [2] DUTRA, R.M., 2001. Viabilidade Técnico-Econômica da Energia

Eólica face ao novo Marco do Setor Elétrico Brasileiro. Dissertação de M.Sc., Programa de Planejamento Energético, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, 309 p.

[3] SHEFHERD, D.G., 1994, "Historical Development of the Windmill". In: Turbine Technology - Fundamental Concepts of Wind Turbine Engineering, SPERA, S.A, (ed), 1 ed. New York, ASME Press, p.1-46.

[4] CAMPOS, Fabio Galizia Ribeiro. Geração de energia a partir de fonte

eólicacom gerador assíncrono conectado a conversor estático duplo. São Paulo:[s.n.], 2004.

[5] AEROGERADORES.ORG. Disponível em:

<http://www.aerogeradores.org/aerogeradoreseixovertical.php>. Acesso em: 06 jan. 2013.

[6] DUTRA, R.M., 2007. Propostas de políticas específicas para energia

eólica no Brasil após a primeira fase do PROINFA. Tese de D.Sc., Programa de Planejamento Energético, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, 415 p.

[7]SANDIA, 2006, Vertical Axis Wind Turbine: The History of the DOE

Program. [8] VESTAS. Disponível em: <www.vestas.com>. Acesso em: 06 jan. 2013. [9]DÍEZ, Pedro Fernández, 2000. Energia eólica. Universidade de

Cantabria, Espanha.

AA

1286,50

102

10

SEÇÃO A-A ESCALA 1 : 3

20

21

?

4

5

3 2

12

10

9

7

1

8

23

17

19

16

6

Soldagem com arame AWS ER70S-6




11

15

13

14

18

22

ESCALA 1:10

ESCALA 1:15

Nº DO ITEM

DENOMINAÇÃO E OBSERVAÇÕES QUANT. MATERIAL

1 Freio Eletromagnético 1 Elemento comercial

2 Acoplamento ACRIFLEX 1 Elemento comercial

3 Redutor Coaxial 1 Elemento comercial

4 Gerador 1 Elemento comercial

5 Carcaça 1Laminado reforçado de fibra de

vidro com resina epóxi 25 x 1680 mm

6 Base 1 Aço AISI 1020

7 Rolamento 1 Elemento Comercial

8 Eixo do Sistema de Posicionamento 1 Aço AISI 4140

9 Suporte do Sistema de Posicionamento 1 Aço AISI 4140

10 Rolamento 1 Elemento Comercial

11 Torre 1 Aço AISI 1020

12 Gancho 3 Aço AISI 4140

13 Parafuso Sextavado M14 16 Aço Baixo Carbono M14 x 50 mm

14 Porca Sextavada M14 16 Aço Baixo carbono M14 x 10 mm

15 Suporte de Içamento 1 Aço AISI 4130

16 Rolamento Autocompensador de Rolos 2 Elemento Comercial

17 Haste da Pá 3 Aço AISI 4140

18 Pá 3Laminado reforçado de fibra de

vidro com resina epóxi 25 x 1680 mm

19 Parafuso Sextavado M6 24 Aço Baixo Carbono M6 x 14 mm

20 Eixo 1 Aço AISI 4140

21 Porca de Segurança 1 Elemento comercial

22 Arruela de fixação 1 Elemento comercial

23 Rotor 1 Aço AISI 4340

F

E

D

C

B

A

G

H

J

K

L

1

94 5 6 7 8 10 11 12

12

H

G

F

E

D

C

B

A

J

K

L

M

N

P

Q

R

A

B

C

D

E

F

G

H

J

K

L

M

N

P

1110987654321 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Peça:Montagem do Aerogerador

Cotas:

Projeto Final: Raphael Carlos Ferreira do Fundo Prof.: Flávio de Marco Filho

Data: 20/07/2013Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio de Janeiro

mmDesenho Ilustrativo

Documents

projeto de um aerogerador de eixo horizontal