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PROJETO DE UMA TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL Caio Filippo de Faria Machado 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. Flávio de Marco Filho; DSc. Rio de Janeiro Agosto de 2014

PROJETO DE UMA TURBINA EÓLICA DE EIXO …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10012359.pdf · Projeto de uma turbina eólica de eixo horizontal/ ... converte em energia elétrica

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PROJETO DE UMA TURBINA EOacuteLICA DE EIXO HORIZONTAL

Caio Filippo de Faria Machado

Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado ao Curso de

Engenharia Mecacircnica da Escola Politeacutecnica

Universidade Federal do Rio de Janeiro como

parte dos requisitos necessaacuterios agrave obtenccedilatildeo do

tiacutetulo de Engenheiro

Orientador Prof Flaacutevio de Marco Filho DSc

Rio de Janeiro

Agosto de 2014

i

Machado Caio Filippo de Faria

Projeto de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal

Caio Filippo de Faria Machado ndash Rio de Janeiro UFRJ

Escola Politeacutecnica 2014

VII 65 p il 297 cm

Orientador Flaacutevio de Marco Filho

Projeto de Graduaccedilatildeo ndash UFRJ Escola Politeacutecnica

Curso de Engenharia Mecacircnica 2014

Referecircncias bibliograacuteficas p46 - 47

1 Introduccedilatildeo 2 Projeto 3 Conclusatildeo I de Marco

Filho Flaacutevio Universidade Federal do Rio de Janeiro

Escola Politeacutecnica Curso de Engenharia Mecacircnica III

Projeto de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal

ii

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeccedilo a Deus

Em segundo lugar devo este diploma aos meus pais e aos meus irmatildeos Sempre

fizeram de tudo para que eu me dedicasse ao maacuteximo aos estudos permitiram que eu

estudasse nos melhores coleacutegios e cursos e nunca saiacuteram do meu lado Se eu estou me

formando engenheiro eacute graccedilas a eles

Natildeo menos importante agrave minha namorada Diana Regalla Esteve ao meu lado

durante toda a minha graduaccedilatildeo sempre me apoiou em tudo Exemplo de dedicaccedilatildeo e

responsabilidade foi muitas vezes uma inspiraccedilatildeo pra mim Sem duacutevidas foi a grande

responsaacutevel pela minha evoluccedilatildeo no curso

Dedico tambeacutem a todos os meus familiares mas em especial ao meu padrinho

Gilberto a minha tia Luacutecia ao Tio Maurizio (talvez o grande responsaacutevel por eu ter

escolhido Engenharia Mecacircnica) e ao Tio Wellington Nos momentos mais difiacuteceis

estiveram ao lado da minha famiacutelia me dando tranquilidade para me dedicar aos meus

estudos

Agrave famiacutelia da minha namorada e agrave Vitoacuteria por me tratarem sempre com muito

amor e carinho quase como um filho

Aos meus amigos de graduaccedilatildeo em especial Mauriacutecio Iglesias Alexandre

Cavalcanti Rodrigo Picanccedila e Joatildeo Paulo pelas diversas horas de estudo em grupo

Aos meus amigos do Satildeo Bento que manteacutem firme uma amizade de mais de

uma deacutecada mesmo eu estando ausente em diversas festas por causa dos estudos

Agrave Technip e agrave Ipiranga que permitirem horaacuterios flexiacuteveis no meu estaacutegio para

que eu pudesse estudar pras provas

Por fim agradeccedilo aos meus professores de graduaccedilatildeo em especial ao professor

Flaacutevio pela orientaccedilatildeo durante o projeto sendo o responsaacutevel pela grande evoluccedilatildeo que

obtive desde meu primeiro desenho

iii

Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola PoliteacutecnicaUFRJ como parte

dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Mecacircnico

PROJETO DE UMA TURBINA EOacuteLICA DE EIXO HORIZONTAL

Caio Filippo de Faria Machado

Agosto2014

Orientador Flaacutevio de Marco Filho

Curso Engenharia Mecacircnica

As turbinas eoacutelicas satildeo maacutequinas que aproveitam a energia cineacutetica do vento e a

converte em energia eleacutetrica atraveacutes de um gerador eleacutetrico conectado ao seu eixo

Conjuntos de turbinas eoacutelicas formam usinas ou parques eoacutelicos que cada vez mais

estatildeo se tornando uma fonte importante de energia limpa e renovaacutevel minimizando a

utilizaccedilatildeo e dependecircncia de combustiacuteveis foacutesseis

Este trabalho apresenta o dimensionamento e os desenhos dos componentes

mecacircnicos de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal tendo como dados iniciais o

diacircmetro do rotor e a altura da turbina

Palavras-chave Aerogerador Turbina eoacutelica Eixo Horizontal Projeto

iv

Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Engineer

DESIGN OF A HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE

Caio Filippo de Faria Machado

August2014

Advisor Flaacutevio de Marco Filho

Course Mechanical Engineering

Wind turbines are machines that harness the kinetic energy of the wind and

converts it into electrical energy through an electric generator connected to its axis Sets

of wind turbines forming wind parks or wind farms which are increasingly becoming

an important source of clean and renewable energy minimizing the use and dependence

on fossil fuels

This work presents the design and drawings of mechanical components of a

wind turbine horizontal axis having as initial data the rotor diameter and the height of

the turbine

Keywords Wind Turbine Horizontal Axis Project

v

Iacutendice

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional 2

12 Os ventos 5

13 Aerogeradores 8

131 Histoacuterico 8

132 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 10

2 PROJETO DA TURBINA 14

21 Dados iniciais 14

22 Estimativa Potecircncia 15

23 Dimensionamento das paacutes 20

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute 23

25 Sistema de Frenagem 25

26 Gerador 26

27 Engrenagens 26

28 Eixos 30

29 Chavetas 37

210 Rolamentos 38

211 Nacele 39

212 Hub 39

213 Torre de Sustentaccedilatildeo 40

214 Sistema de Guinada 42

3 CONCLUSAtildeO 44

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 45

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos 47

ANEXO I ndash TABELAS 49

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS 57

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS 65

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12

Figura 9 - Exemplo de Hub 13

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23

Figura 18 - Corte do Freio 25

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 1 32

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 2 33

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39

Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41

Figura 24 - Base da Torre 41

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo intermediaacuterio 48

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo de saiacuteda 49

vii

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute

uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A

transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de

aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices

ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico

A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de

acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes

mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute

instalada

A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para

moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento

dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica

tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos

de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de

energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando

importacircncia

Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais

hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos

governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar

os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis

Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil

ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo

privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica

com perspectivas bastante promissoras

2

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional

Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da

energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem

sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997

ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009

Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre

a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2

este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o

crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano

estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW

3

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW

As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave

capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses

pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha

deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para

investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou

em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes

4

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)

Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf

posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um

total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600

MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

i

Machado Caio Filippo de Faria

Projeto de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal

Caio Filippo de Faria Machado ndash Rio de Janeiro UFRJ

Escola Politeacutecnica 2014

VII 65 p il 297 cm

Orientador Flaacutevio de Marco Filho

Projeto de Graduaccedilatildeo ndash UFRJ Escola Politeacutecnica

Curso de Engenharia Mecacircnica 2014

Referecircncias bibliograacuteficas p46 - 47

1 Introduccedilatildeo 2 Projeto 3 Conclusatildeo I de Marco

Filho Flaacutevio Universidade Federal do Rio de Janeiro

Escola Politeacutecnica Curso de Engenharia Mecacircnica III

Projeto de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal

ii

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeccedilo a Deus

Em segundo lugar devo este diploma aos meus pais e aos meus irmatildeos Sempre

fizeram de tudo para que eu me dedicasse ao maacuteximo aos estudos permitiram que eu

estudasse nos melhores coleacutegios e cursos e nunca saiacuteram do meu lado Se eu estou me

formando engenheiro eacute graccedilas a eles

Natildeo menos importante agrave minha namorada Diana Regalla Esteve ao meu lado

durante toda a minha graduaccedilatildeo sempre me apoiou em tudo Exemplo de dedicaccedilatildeo e

responsabilidade foi muitas vezes uma inspiraccedilatildeo pra mim Sem duacutevidas foi a grande

responsaacutevel pela minha evoluccedilatildeo no curso

Dedico tambeacutem a todos os meus familiares mas em especial ao meu padrinho

Gilberto a minha tia Luacutecia ao Tio Maurizio (talvez o grande responsaacutevel por eu ter

escolhido Engenharia Mecacircnica) e ao Tio Wellington Nos momentos mais difiacuteceis

estiveram ao lado da minha famiacutelia me dando tranquilidade para me dedicar aos meus

estudos

Agrave famiacutelia da minha namorada e agrave Vitoacuteria por me tratarem sempre com muito

amor e carinho quase como um filho

Aos meus amigos de graduaccedilatildeo em especial Mauriacutecio Iglesias Alexandre

Cavalcanti Rodrigo Picanccedila e Joatildeo Paulo pelas diversas horas de estudo em grupo

Aos meus amigos do Satildeo Bento que manteacutem firme uma amizade de mais de

uma deacutecada mesmo eu estando ausente em diversas festas por causa dos estudos

Agrave Technip e agrave Ipiranga que permitirem horaacuterios flexiacuteveis no meu estaacutegio para

que eu pudesse estudar pras provas

Por fim agradeccedilo aos meus professores de graduaccedilatildeo em especial ao professor

Flaacutevio pela orientaccedilatildeo durante o projeto sendo o responsaacutevel pela grande evoluccedilatildeo que

obtive desde meu primeiro desenho

iii

Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola PoliteacutecnicaUFRJ como parte

dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Mecacircnico

PROJETO DE UMA TURBINA EOacuteLICA DE EIXO HORIZONTAL

Caio Filippo de Faria Machado

Agosto2014

Orientador Flaacutevio de Marco Filho

Curso Engenharia Mecacircnica

As turbinas eoacutelicas satildeo maacutequinas que aproveitam a energia cineacutetica do vento e a

converte em energia eleacutetrica atraveacutes de um gerador eleacutetrico conectado ao seu eixo

Conjuntos de turbinas eoacutelicas formam usinas ou parques eoacutelicos que cada vez mais

estatildeo se tornando uma fonte importante de energia limpa e renovaacutevel minimizando a

utilizaccedilatildeo e dependecircncia de combustiacuteveis foacutesseis

Este trabalho apresenta o dimensionamento e os desenhos dos componentes

mecacircnicos de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal tendo como dados iniciais o

diacircmetro do rotor e a altura da turbina

Palavras-chave Aerogerador Turbina eoacutelica Eixo Horizontal Projeto

iv

Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Engineer

DESIGN OF A HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE

Caio Filippo de Faria Machado

August2014

Advisor Flaacutevio de Marco Filho

Course Mechanical Engineering

Wind turbines are machines that harness the kinetic energy of the wind and

converts it into electrical energy through an electric generator connected to its axis Sets

of wind turbines forming wind parks or wind farms which are increasingly becoming

an important source of clean and renewable energy minimizing the use and dependence

on fossil fuels

This work presents the design and drawings of mechanical components of a

wind turbine horizontal axis having as initial data the rotor diameter and the height of

the turbine

Keywords Wind Turbine Horizontal Axis Project

v

Iacutendice

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional 2

12 Os ventos 5

13 Aerogeradores 8

131 Histoacuterico 8

132 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 10

2 PROJETO DA TURBINA 14

21 Dados iniciais 14

22 Estimativa Potecircncia 15

23 Dimensionamento das paacutes 20

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute 23

25 Sistema de Frenagem 25

26 Gerador 26

27 Engrenagens 26

28 Eixos 30

29 Chavetas 37

210 Rolamentos 38

211 Nacele 39

212 Hub 39

213 Torre de Sustentaccedilatildeo 40

214 Sistema de Guinada 42

3 CONCLUSAtildeO 44

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 45

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos 47

ANEXO I ndash TABELAS 49

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS 57

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS 65

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12

Figura 9 - Exemplo de Hub 13

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23

Figura 18 - Corte do Freio 25

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 1 32

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 2 33

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39

Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41

Figura 24 - Base da Torre 41

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo intermediaacuterio 48

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo de saiacuteda 49

vii

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute

uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A

transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de

aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices

ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico

A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de

acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes

mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute

instalada

A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para

moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento

dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica

tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos

de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de

energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando

importacircncia

Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais

hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos

governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar

os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis

Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil

ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo

privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica

com perspectivas bastante promissoras

2

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional

Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da

energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem

sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997

ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009

Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre

a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2

este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o

crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano

estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW

3

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW

As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave

capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses

pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha

deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para

investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou

em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes

4

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)

Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf

posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um

total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600

MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

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Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

ii

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeccedilo a Deus

Em segundo lugar devo este diploma aos meus pais e aos meus irmatildeos Sempre

fizeram de tudo para que eu me dedicasse ao maacuteximo aos estudos permitiram que eu

estudasse nos melhores coleacutegios e cursos e nunca saiacuteram do meu lado Se eu estou me

formando engenheiro eacute graccedilas a eles

Natildeo menos importante agrave minha namorada Diana Regalla Esteve ao meu lado

durante toda a minha graduaccedilatildeo sempre me apoiou em tudo Exemplo de dedicaccedilatildeo e

responsabilidade foi muitas vezes uma inspiraccedilatildeo pra mim Sem duacutevidas foi a grande

responsaacutevel pela minha evoluccedilatildeo no curso

Dedico tambeacutem a todos os meus familiares mas em especial ao meu padrinho

Gilberto a minha tia Luacutecia ao Tio Maurizio (talvez o grande responsaacutevel por eu ter

escolhido Engenharia Mecacircnica) e ao Tio Wellington Nos momentos mais difiacuteceis

estiveram ao lado da minha famiacutelia me dando tranquilidade para me dedicar aos meus

estudos

Agrave famiacutelia da minha namorada e agrave Vitoacuteria por me tratarem sempre com muito

amor e carinho quase como um filho

Aos meus amigos de graduaccedilatildeo em especial Mauriacutecio Iglesias Alexandre

Cavalcanti Rodrigo Picanccedila e Joatildeo Paulo pelas diversas horas de estudo em grupo

Aos meus amigos do Satildeo Bento que manteacutem firme uma amizade de mais de

uma deacutecada mesmo eu estando ausente em diversas festas por causa dos estudos

Agrave Technip e agrave Ipiranga que permitirem horaacuterios flexiacuteveis no meu estaacutegio para

que eu pudesse estudar pras provas

Por fim agradeccedilo aos meus professores de graduaccedilatildeo em especial ao professor

Flaacutevio pela orientaccedilatildeo durante o projeto sendo o responsaacutevel pela grande evoluccedilatildeo que

obtive desde meu primeiro desenho

iii

Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola PoliteacutecnicaUFRJ como parte

dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Mecacircnico

PROJETO DE UMA TURBINA EOacuteLICA DE EIXO HORIZONTAL

Caio Filippo de Faria Machado

Agosto2014

Orientador Flaacutevio de Marco Filho

Curso Engenharia Mecacircnica

As turbinas eoacutelicas satildeo maacutequinas que aproveitam a energia cineacutetica do vento e a

converte em energia eleacutetrica atraveacutes de um gerador eleacutetrico conectado ao seu eixo

Conjuntos de turbinas eoacutelicas formam usinas ou parques eoacutelicos que cada vez mais

estatildeo se tornando uma fonte importante de energia limpa e renovaacutevel minimizando a

utilizaccedilatildeo e dependecircncia de combustiacuteveis foacutesseis

Este trabalho apresenta o dimensionamento e os desenhos dos componentes

mecacircnicos de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal tendo como dados iniciais o

diacircmetro do rotor e a altura da turbina

Palavras-chave Aerogerador Turbina eoacutelica Eixo Horizontal Projeto

iv

Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Engineer

DESIGN OF A HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE

Caio Filippo de Faria Machado

August2014

Advisor Flaacutevio de Marco Filho

Course Mechanical Engineering

Wind turbines are machines that harness the kinetic energy of the wind and

converts it into electrical energy through an electric generator connected to its axis Sets

of wind turbines forming wind parks or wind farms which are increasingly becoming

an important source of clean and renewable energy minimizing the use and dependence

on fossil fuels

This work presents the design and drawings of mechanical components of a

wind turbine horizontal axis having as initial data the rotor diameter and the height of

the turbine

Keywords Wind Turbine Horizontal Axis Project

v

Iacutendice

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional 2

12 Os ventos 5

13 Aerogeradores 8

131 Histoacuterico 8

132 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 10

2 PROJETO DA TURBINA 14

21 Dados iniciais 14

22 Estimativa Potecircncia 15

23 Dimensionamento das paacutes 20

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute 23

25 Sistema de Frenagem 25

26 Gerador 26

27 Engrenagens 26

28 Eixos 30

29 Chavetas 37

210 Rolamentos 38

211 Nacele 39

212 Hub 39

213 Torre de Sustentaccedilatildeo 40

214 Sistema de Guinada 42

3 CONCLUSAtildeO 44

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 45

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos 47

ANEXO I ndash TABELAS 49

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS 57

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS 65

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12

Figura 9 - Exemplo de Hub 13

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23

Figura 18 - Corte do Freio 25

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 1 32

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 2 33

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39

Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41

Figura 24 - Base da Torre 41

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo intermediaacuterio 48

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo de saiacuteda 49

vii

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute

uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A

transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de

aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices

ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico

A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de

acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes

mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute

instalada

A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para

moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento

dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica

tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos

de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de

energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando

importacircncia

Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais

hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos

governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar

os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis

Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil

ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo

privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica

com perspectivas bastante promissoras

2

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional

Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da

energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem

sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997

ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009

Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre

a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2

este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o

crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano

estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW

3

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW

As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave

capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses

pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha

deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para

investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou

em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes

4

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)

Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf

posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um

total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600

MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

iii

Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola PoliteacutecnicaUFRJ como parte

dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Mecacircnico

PROJETO DE UMA TURBINA EOacuteLICA DE EIXO HORIZONTAL

Caio Filippo de Faria Machado

Agosto2014

Orientador Flaacutevio de Marco Filho

Curso Engenharia Mecacircnica

As turbinas eoacutelicas satildeo maacutequinas que aproveitam a energia cineacutetica do vento e a

converte em energia eleacutetrica atraveacutes de um gerador eleacutetrico conectado ao seu eixo

Conjuntos de turbinas eoacutelicas formam usinas ou parques eoacutelicos que cada vez mais

estatildeo se tornando uma fonte importante de energia limpa e renovaacutevel minimizando a

utilizaccedilatildeo e dependecircncia de combustiacuteveis foacutesseis

Este trabalho apresenta o dimensionamento e os desenhos dos componentes

mecacircnicos de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal tendo como dados iniciais o

diacircmetro do rotor e a altura da turbina

Palavras-chave Aerogerador Turbina eoacutelica Eixo Horizontal Projeto

iv

Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Engineer

DESIGN OF A HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE

Caio Filippo de Faria Machado

August2014

Advisor Flaacutevio de Marco Filho

Course Mechanical Engineering

Wind turbines are machines that harness the kinetic energy of the wind and

converts it into electrical energy through an electric generator connected to its axis Sets

of wind turbines forming wind parks or wind farms which are increasingly becoming

an important source of clean and renewable energy minimizing the use and dependence

on fossil fuels

This work presents the design and drawings of mechanical components of a

wind turbine horizontal axis having as initial data the rotor diameter and the height of

the turbine

Keywords Wind Turbine Horizontal Axis Project

v

Iacutendice

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional 2

12 Os ventos 5

13 Aerogeradores 8

131 Histoacuterico 8

132 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 10

2 PROJETO DA TURBINA 14

21 Dados iniciais 14

22 Estimativa Potecircncia 15

23 Dimensionamento das paacutes 20

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute 23

25 Sistema de Frenagem 25

26 Gerador 26

27 Engrenagens 26

28 Eixos 30

29 Chavetas 37

210 Rolamentos 38

211 Nacele 39

212 Hub 39

213 Torre de Sustentaccedilatildeo 40

214 Sistema de Guinada 42

3 CONCLUSAtildeO 44

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 45

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos 47

ANEXO I ndash TABELAS 49

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS 57

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS 65

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12

Figura 9 - Exemplo de Hub 13

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23

Figura 18 - Corte do Freio 25

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 1 32

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 2 33

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39

Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41

Figura 24 - Base da Torre 41

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo intermediaacuterio 48

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo de saiacuteda 49

vii

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute

uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A

transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de

aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices

ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico

A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de

acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes

mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute

instalada

A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para

moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento

dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica

tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos

de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de

energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando

importacircncia

Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais

hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos

governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar

os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis

Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil

ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo

privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica

com perspectivas bastante promissoras

2

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional

Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da

energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem

sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997

ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009

Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre

a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2

este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o

crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano

estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW

3

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW

As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave

capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses

pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha

deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para

investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou

em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes

4

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)

Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf

posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um

total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600

MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

iv

Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Engineer

DESIGN OF A HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE

Caio Filippo de Faria Machado

August2014

Advisor Flaacutevio de Marco Filho

Course Mechanical Engineering

Wind turbines are machines that harness the kinetic energy of the wind and

converts it into electrical energy through an electric generator connected to its axis Sets

of wind turbines forming wind parks or wind farms which are increasingly becoming

an important source of clean and renewable energy minimizing the use and dependence

on fossil fuels

This work presents the design and drawings of mechanical components of a

wind turbine horizontal axis having as initial data the rotor diameter and the height of

the turbine

Keywords Wind Turbine Horizontal Axis Project

v

Iacutendice

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional 2

12 Os ventos 5

13 Aerogeradores 8

131 Histoacuterico 8

132 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 10

2 PROJETO DA TURBINA 14

21 Dados iniciais 14

22 Estimativa Potecircncia 15

23 Dimensionamento das paacutes 20

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute 23

25 Sistema de Frenagem 25

26 Gerador 26

27 Engrenagens 26

28 Eixos 30

29 Chavetas 37

210 Rolamentos 38

211 Nacele 39

212 Hub 39

213 Torre de Sustentaccedilatildeo 40

214 Sistema de Guinada 42

3 CONCLUSAtildeO 44

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 45

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos 47

ANEXO I ndash TABELAS 49

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS 57

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS 65

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12

Figura 9 - Exemplo de Hub 13

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23

Figura 18 - Corte do Freio 25

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 1 32

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 2 33

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39

Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41

Figura 24 - Base da Torre 41

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo intermediaacuterio 48

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo de saiacuteda 49

vii

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute

uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A

transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de

aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices

ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico

A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de

acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes

mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute

instalada

A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para

moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento

dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica

tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos

de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de

energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando

importacircncia

Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais

hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos

governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar

os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis

Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil

ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo

privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica

com perspectivas bastante promissoras

2

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional

Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da

energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem

sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997

ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009

Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre

a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2

este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o

crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano

estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW

3

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW

As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave

capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses

pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha

deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para

investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou

em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes

4

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)

Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf

posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um

total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600

MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

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[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

v

Iacutendice

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional 2

12 Os ventos 5

13 Aerogeradores 8

131 Histoacuterico 8

132 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 10

2 PROJETO DA TURBINA 14

21 Dados iniciais 14

22 Estimativa Potecircncia 15

23 Dimensionamento das paacutes 20

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute 23

25 Sistema de Frenagem 25

26 Gerador 26

27 Engrenagens 26

28 Eixos 30

29 Chavetas 37

210 Rolamentos 38

211 Nacele 39

212 Hub 39

213 Torre de Sustentaccedilatildeo 40

214 Sistema de Guinada 42

3 CONCLUSAtildeO 44

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 45

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos 47

ANEXO I ndash TABELAS 49

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS 57

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS 65

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12

Figura 9 - Exemplo de Hub 13

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23

Figura 18 - Corte do Freio 25

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 1 32

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 2 33

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39

Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41

Figura 24 - Base da Torre 41

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo intermediaacuterio 48

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo de saiacuteda 49

vii

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute

uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A

transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de

aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices

ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico

A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de

acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes

mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute

instalada

A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para

moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento

dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica

tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos

de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de

energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando

importacircncia

Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais

hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos

governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar

os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis

Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil

ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo

privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica

com perspectivas bastante promissoras

2

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional

Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da

energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem

sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997

ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009

Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre

a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2

este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o

crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano

estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW

3

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW

As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave

capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses

pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha

deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para

investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou

em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes

4

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)

Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf

posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um

total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600

MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12

Figura 9 - Exemplo de Hub 13

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23

Figura 18 - Corte do Freio 25

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 1 32

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

caso 2 33

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39

Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41

Figura 24 - Base da Torre 41

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo intermediaacuterio 48

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o

eixo de saiacuteda 49

vii

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute

uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A

transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de

aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices

ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico

A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de

acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes

mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute

instalada

A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para

moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento

dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica

tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos

de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de

energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando

importacircncia

Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais

hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos

governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar

os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis

Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil

ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo

privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica

com perspectivas bastante promissoras

2

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional

Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da

energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem

sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997

ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009

Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre

a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2

este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o

crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano

estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW

3

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW

As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave

capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses

pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha

deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para

investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou

em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes

4

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)

Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf

posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um

total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600

MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

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46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

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[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

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[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

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2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

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[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

vii

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute

uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A

transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de

aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices

ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico

A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de

acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes

mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute

instalada

A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para

moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento

dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica

tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos

de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de

energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando

importacircncia

Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais

hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos

governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar

os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis

Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil

ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo

privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica

com perspectivas bastante promissoras

2

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional

Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da

energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem

sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997

ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009

Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre

a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2

este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o

crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano

estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW

3

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW

As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave

capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses

pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha

deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para

investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou

em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes

4

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)

Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf

posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um

total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600

MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

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46

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47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

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24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute

uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A

transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de

aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices

ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico

A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de

acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes

mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute

instalada

A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para

moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento

dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica

tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos

de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de

energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando

importacircncia

Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais

hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos

governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar

os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis

Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil

ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo

privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica

com perspectivas bastante promissoras

2

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional

Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da

energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem

sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997

ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009

Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre

a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2

este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o

crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano

estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW

3

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW

As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave

capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses

pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha

deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para

investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou

em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes

4

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)

Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf

posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um

total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600

MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

2

11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional

Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da

energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem

sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997

ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009

Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre

a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2

este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o

crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano

estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009

Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW

3

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW

As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave

capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses

pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha

deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para

investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou

em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes

4

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)

Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf

posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um

total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600

MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

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Acesso em 25052014

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eolica Acesso em 23062014

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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

3

Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW

As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave

capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses

pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha

deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para

investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou

em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes

4

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)

Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf

posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um

total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600

MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

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46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

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[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

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[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

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[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

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2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

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[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

4

Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)

Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)

Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf

posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um

total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600

MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

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Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

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2002

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47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

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[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

5

representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo

animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute

a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute

2030

Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores

potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em

comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica

apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos

investimentos em energia

A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao

potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada

na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo

hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo

governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as

instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de

concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro

do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento

eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]

A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores

econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a

complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz

energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia

utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos

niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees

nordeste e sul

A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema

de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil

apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir

maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que

prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]

Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada

pelo vento [21]

12 Os ventos

Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de

circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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46

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[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

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Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

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47

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[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

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24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

6

variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela

radiaccedilatildeo solar [19]

A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a

linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste

aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o

equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera

superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo

Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de

ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao

equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na

atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso

causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no

hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul

Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no

qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e

direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra

Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da

terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra

(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais

Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do

terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local

[8]

A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados

acima

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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47

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Acesso em 25052014

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24052014

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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

7

Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais

Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de

um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o

ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a

altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um

valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais

acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas

A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da

velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a

variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores

alturas [9]

Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

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46

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Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

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Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

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47

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[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

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24052014

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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

8

No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa

turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade

viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos

Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite

(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a

distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da

turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos

ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar

falhas por fadiga [8]

Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia

eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de

locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de

dados por um periacuteodo de tempo

A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo

dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem

que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves

variaccedilotildees sazonais do vento

Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas

na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro

Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do

vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante

funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras

posicionadas atraacutes [22]

13 Aerogeradores

131Histoacuterico

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco

diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua

origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um

gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi

solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda

drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de

recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

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46

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[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

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47

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em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

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24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

9

Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da

economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores

movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais

O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX

com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa

desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX

houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo

para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa

potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede

eleacutetrica tornou-se disponiacutevel

A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de

padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao

redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em

empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973

A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns

governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa

desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a

produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de

engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes

sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis

foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era

boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs

paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a

velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute

localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de

transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e

foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15

MW [16]

A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir

eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes

carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo

instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos

ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

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[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

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47

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Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

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24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

10

volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da

seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em

energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses

para fomentar seu uso [15]

Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a

eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair

investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute

visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das

mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais

Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de

emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU

ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio

significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]

132Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a

principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode

ser vertical ou horizontal

As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em

relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se

encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer

estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples

As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por

forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um

corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as

forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar

Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus

(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era

movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]

O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus

[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

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Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

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47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

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[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

11

que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao

Savonius [11]

Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a

construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas

Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)

A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua

baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal

As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no

mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de

controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem

com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes

Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de

acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou

upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se

alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas

mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

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[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

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Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

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Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

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Acesso em 25052014

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eolica Acesso em 23062014

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24052014

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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

12

mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo

Horizontal [14]

Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind

As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade

satildeo

- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica

dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina

e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o

gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora

- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de

rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade

- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor

transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido

placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

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47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

13

Figura 9 - Exemplo de Hub

- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do

eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da

turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor

- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a

rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de

controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge

niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura

- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a

engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)

- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da

velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes

- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os

seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou

hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos

treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam

aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado

- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na

direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

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47

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Acesso em 25052014

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24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

14

aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo

sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais

Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte

2 PROJETO DA TURBINA

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina

eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma

turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com

sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros

iniciais definidos abaixo

21 Dados iniciais

Velocidade de projeto 8ms

Altura da torre 12m

Diacircmetro do Rotor 4m

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

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46

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Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

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Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

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Acesso em 25052014

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24052014

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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

15

22 Estimativa Potecircncia

A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo

de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada

pelo Coeficiente de Potecircncia Cp

O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair

do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem

devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]

O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz

demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento

reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente

de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos

A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a

este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas

Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina

Sendo

V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)

V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes

V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes

e V1 gt V0 gt V2

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

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47

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APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

16

Pela lei da continuidade de fluxo [9]

1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ

Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a

velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea

A2 maior que A1

A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a

energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia

cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela

equaccedilatildeo abaixo

Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em

metros por segundo

A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute

expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute

calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x

Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica

Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da

energia em relaccedilatildeo ao tempo

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

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46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

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Acesso em 25052014

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eolica Acesso em 23062014

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24052014

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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

17

Ou seja a potecircncia seraacute

Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em

uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a

equaccedilatildeo abaixo

Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo

transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms

Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o

aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece

na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas

representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento

Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de

Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A

figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde

Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp

Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

18

Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser

possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica

Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave

eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ

Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira

Ou substituindo a aacuterea A

Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o

diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do

rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e

de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica

De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com

razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que

=ߟ 675

Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

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24052014

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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

19

Substituindo os valores

=ߩ 1225kgmsup3

=ݒ 8ms

D = 4m

=ܥ 05926

η = 0675

ηெ ா = 095

=ߟ η ηா

P = 149775 W

ݒ

λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)

ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]

=ߣ 55

= 22 rads = 210 rpm

σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)

W = velocidades relativa resultante na paacute

= ඥݒଶ + (ωR)ଶ

= 447 ݏ

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

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46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

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Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

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[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

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47

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[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

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24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

20

23 Dimensionamento das paacutes

Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom

desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto

dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos

possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de

rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um

rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX

Figura 14 - Paacutes de rotores existentes

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

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Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

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46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

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[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

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[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

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2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

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47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

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eolica Acesso em 23062014

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24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

21

As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da

paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um

esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido

com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de

vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia

Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa

haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves

cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes

a montagem

A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]

Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda

atraveacutes da foacutermula da solidez

= ߨߣమ

ସ௭c = 0233 m

l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m

z = ndeg de paacutes = 3

Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado

para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse

uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O

acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute

igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]

O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula

ϕ = tanଵ(ݒ

ωR)

ϕ = 103deg

Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

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47

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Acesso em 25052014

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24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

22

Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]

Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

23

Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do

raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial

exercida sobre o rotor eacute

ൌ௧

ఠ= 7168 Nm

ൌݔܨ1

2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ

=ݔܨ 1542 KN

24 Esforccedilos Atuantes na Paacute

Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que

atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A

figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute

Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute

Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que

os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

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Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

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[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

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2002

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[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

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eolica Acesso em 23062014

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24052014

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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

24

haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute

ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi

desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos

modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada

Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே

ଷ= 514

Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ

= 1195

Largura da viga b = 40mm

Espessura da viga h = 28mm

Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m

Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ

ூ= ܯ151

Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ

ூ= ܯ255

Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm

Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ

ூ= ܯ297

Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி

= ܯ045

A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo

despreziacuteveis

Utilizando a Teoria de Von Mises

ெߪ = ටߪଶ + 3

ଶ = 15622 Mpa

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙೇಾ=

ଵହଶଶ= 691

Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య

ଷாூ= 1136 cm

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

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Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

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Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

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47

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[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

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24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

25

25 Sistema de Frenagem

Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina

continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O

freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de

frenagem por natildeo ser relevante

Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e

especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo

encontra-se no Anexo II

O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois

discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito

os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de

rodar (freio acionado)

Figura 18 - Corte do Freio

A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e

rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se

um freio superior ao necessaacuterio

O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme

anticorrosivo e tinta

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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46

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Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

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47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

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[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

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24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

26

26 Gerador

A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia

eleacutetrica

Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a

potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22

Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60

Hz de frequecircncia

Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor

no Anexo II

27 Engrenagens

Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina

eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois

estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de

engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes

Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que

possibilite o uso de pares de engrenagens iguais

= ඨ

= 2928

= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm

= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm

Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo

eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e

reais natildeo deve ultrapassar 2

Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de

transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro

i = 3

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

27

Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20

Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60

m = 1mm (moacutedulo)

Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com

acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de

fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de

trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10

ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute

de que 3 le ܨ le 5 [1]

O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da

AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial

A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas

com o mesmo material

Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido

௨ =848 Mpa

௬ =648 Mpa

ܤܪ = 495

Criteacuterio da AGMA

ௗߪ =௬

ܥ=

648

4= ܯ162

Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =

036012

ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60

ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20

=ߨ ∙

ݖ=ߨ ∙ 20

20= 314

=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630

60 ∙ 1000= 126 ݏ

௧ =

ݒ=

157632

126= 125105

௩ܭ =50

50 + radic200 ∙ ݒ=

50

50 + radic200 ∙ 126= 076

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

28

Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙

Largura de face escolhida =ܨ 15

ெߪ = ௧

௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=

125105

076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474

Fator de Seguranccedila FS =ఙ

ఙಲಸಾ ಲ= 28

Criteacuterio de falha por fadiga

= ௧

௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=

125105

076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

3 Anexo I Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089

Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2

= 1

Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95

= 0868

De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg

ௗ = 1 [7]

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma

ܬ portanto

= 1 [7]

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico

sentido de rotaccedilatildeo

=2

1 + ൬700

௨൰

=2

1 + ቀ700848ቁ

= 133

Como ௨ lt ܯ1400

ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙

424 = ܯ436

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

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Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

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Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

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[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

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[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

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2002

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47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

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Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

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24052014

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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

29

=

=

436

30474= 143

Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܭ = 1

Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do

dente ܨ lt 50

ெܭ = 13

Entatildeo

=

ܭ ∙ ܭ=

143

1 ∙ 13= 11

ܥ ௦௧ =௬

∙ ܭ ∙ ܭ=

648

30474 ∙ 1 ∙ 13= 17

ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨

൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=

2 ∙ 436 ∙ 848

(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145

Criteacuterio de desgaste superficial

Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo

ܥ = 191

ܥ =78

78 + radic200 ∙ ݒ=

78

78 + radic200 ∙ 126= 083

=ܫߠݏ ∙ ߠݏ

2∙

+ 1=

deg20ݏ ∙ deg20ݏ

2∙

3

3 + 1= 012

ு = ܥ ∙ ටௐ

ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට

ଵଶହଵହ

ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407

= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620

Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos

ுܥ = 1

Para temperaturas le 120 [7]

ܥ = 1

Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10

ܥ = 1

Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95

ோܥ = 080

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

30

ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ

= 129620 ∙1 ∙ 1

1 ∙ 080= 162025

=ு

ு=

162025

94407= 172

Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina

movida uniforme

ܥ = 1

Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura

do dente ܨ lt 50

ெܥ = 13

Entatildeo

=

ܥ ∙ ܥ=

172

1 ∙ 13= 133

ܥ ௦௨ =ு

ு ∙ ܥ ∙ ܥ=

162025

94407 ∙ 1 ∙ 13= 132

28 Eixos

Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as

cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de

cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado

Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as

cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute

dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo

eixo

O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi

=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a

fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as

seguintes propriedades

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

31

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ

௨ =1720 Mpa

௬ = 1590 Mpa

ܤܪ = 486

= 10

Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada

O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes

e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o

pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)

O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como

250N

Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da

superposiccedilatildeo

O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de

balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como

120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

32

Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1

No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

33

Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2

Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na

seccedilatildeo do mancal

Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm

Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

34

Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas

Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ

గଷ

Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ

గௗయ

Criteacuterio de Sodeberg

Fator de acabamento superficial -

Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela

[7] Entatildeo

= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084

Fator de dimensatildeo -

Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51

= 124 ∙ ଵ

Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de

dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o

diacircmetro miacutenimo do eixo

= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088

O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado

Fator de confiabilidade -

Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99

= 0814

Fator de temperatura - ௗ

De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a

ܥ350deg

ௗ = 1

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

35

Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -

O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)

Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de

concentraccedilatildeo de tensotildees

De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e

௧ = 15 entatildeo

=1

1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=

1

1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069

Limite de enduranccedila - ᇱ

Como ௨ gt ܯ1400

ᇱ= ܯ700

Entatildeo

= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700

= ܯ29664

E

iacute = ඩ32 ∙ ܥ

ߨ∙ ඨ(

ܯ aacute௫

)ଶ + (

௬)ଶ

మయ

= 24216

A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-

se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo

Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda

De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a

determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda

Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1

e a coroa 2

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

36

Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2

Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A

Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm

Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm

Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de

entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm

Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de

engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura

recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira

=2 ∙ + + ℎ

3

Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros

Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as

dimensotildees de fundiccedilatildeo

l=0150 m

b=0270 m

h=0260 m

Entatildeo

=2 ∙ + + ℎ

3=

2 ∙ 0150 + 0270 + 0260

3= 028

De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro

com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as

paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a

espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes

internas ௧ = 5

Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo

Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola

beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

37

retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que

seratildeo fixados

No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo

a norma DIN 471

Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo

29 Chavetas

Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material

ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ

௨ =203351 Mpa

௬ = 353039 Mpa

As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram

dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo

Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375

Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I

Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e

cisalhamento ܥ ௦

Para a compressatildeo sabe-se que

ߪ =ସ∙

ௗ∙௧∙= 18765 MPa

ௗߪ =ௌ

ௌ =18778MPa

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

38

=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)

=ܮ 8 (comprimento da chaveta)

Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto

ߪ le ௗߪ

Entatildeo

ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙

ସ∙= 188

E para o cisalhamento

௦ =ଶ∙

ௗ∙∙= 938 MPa

ௗ =ହ∙ௌ

ௌೞ=9392MPa

= 8mm (largura da chaveta)

Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto

௦ le ௗ

De maneira anaacuteloga

ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙

ଶ∙=217

As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees

apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram

mantidas

210 Rolamentos

Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e

a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF

O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se

encontram

Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de

rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem

aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse

rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

39

Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma

carreira

Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos

modelos 30219 J2 e 30319

As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II

211 Nacele

A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir

que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma

fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados

junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e

uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035

(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele

O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens

dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo

212 Hub

A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de

rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado

O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado

por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro

Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de

aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo

Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

40

213 Torre de Sustentaccedilatildeo

A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema

colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre

seraacute o peso dos elementos acima dela

Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que

seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em

ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160

mm

Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para

verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis

= 160

= 180

ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025

Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ

రௗర)

ସ= 194x10 ସ

Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ

మௗమ)

ସ= 534x10ଷ ଶ

Altura da Torre (h) = 12m

Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ

= 60mm

Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa

Forccedila criacutetica = ܧଶߨ

ഐቁమ = 68x10ସ N

Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700

Coeficiente de Seguranccedila

ଶ= 2518

Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por

norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento

Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de

manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel

pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo

AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

41

A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da

torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute

explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no

iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II

A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta

ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio

de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo

permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a

montagem do conjunto

Figura 23 - Modo de Iccedilamento

Figura 24 - Base da Torre

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

42

214 Sistema de Guinada

Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o

sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um

mecanismo

O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees

da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte

A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da

aacuterea total molhada No nosso caso

Aacuterea molhada = Ǥߨమ

ସൌ ͳʹ ǡͷ

Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e

125msup2

Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o

eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)

No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m

Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda

O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no

aerogerador Whisper 100

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

43

Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]

A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados

anteriormente

Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre

a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados

anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento

Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =

25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios

passem

De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o

coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-

apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante

sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no

programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos

mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a

aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso

encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

44

3 CONCLUSAtildeO

A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as

vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante

inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia

energeacutetica

A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do

crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos

relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das

turbinas eoacutelicas

Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em

um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser

implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades

de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito

acessiacutevel

O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de

componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de

montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e

utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo

Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as

necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom

rendimento

O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto

de um aerogerador com vida superior a 20 anos

Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees

rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais

assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo

Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais

como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

45

A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia

para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em

praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica

Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um

projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento

como engenheiro

4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de

Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005

[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III

1979

[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication

Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005

[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004

[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de

Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989

[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing

Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959

[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II

Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

46

[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo

de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro

[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a

Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo

[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical

Engineering 1931

[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de

Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de

Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981

[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926

[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the

Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931

[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy

Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester

2002

[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind

Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001

[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design

Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002

[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind

Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009

[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014

[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-

_Parte_1pdf Acesso em 05052014

[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014

[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

47

[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso

em 25052014

[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf

Acesso em 25052014

[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-

eolica Acesso em 23062014

[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em

24052014

[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014

[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu

alpdf Acesso em 09082014

APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos

Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

48

Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio

Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo

estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

49

Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda

ANEXO I ndash TABELAS

Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

50

Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]

Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

51

Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]

Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

52

Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

53

Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

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SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

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C

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DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

54

Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]

Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]

Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]

Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]

55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

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SC

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A A

D

D

E

B

C

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2000

12

00

17

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DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

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DE

TA

LH

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ES

CA

LA

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DE

TA

LH

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CA

LA

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55

Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]

Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]

Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

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SC

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A1

2

A A

D

D

E

B

C

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2000

12

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40

300

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DE

TA

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EB

ES

CA

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DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

56

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

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SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

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17

40

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DE

TA

LH

EB

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CA

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DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

57

ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS

FREIO

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

58

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

12

ES

CA

LA

1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

E

B

C

12000

2000

12

00

17

40

300

44

DE

TA

LH

EB

ES

CA

LA

11

DE

TA

LH

EC

ES

CA

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11

DE

TA

LH

EE

ES

CA

LA

11

59

MOTOR ELEacuteTRICO

60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

LA

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ES

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1

20

SE

CcedilAtilde

OA

-AE

SC

AL

A1

2

A A

D

D

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B

C

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12

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17

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DE

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TA

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DE

TA

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EE

ES

CA

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60

ROLAMENTOS

61

62

63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

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ES

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1

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OA

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A A

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TA

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DE

TA

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61

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PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

12

SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

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ES

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OA

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TA

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DE

TA

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62

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PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

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SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

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ES

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CcedilAtilde

OA

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AL

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TA

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LA

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DE

TA

LH

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ES

CA

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63

PARAFUSO OLHAL

64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

LA

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SE

CcedilAtilde

OD

-D

ES

CA

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CA

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CcedilAtilde

OA

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AL

A1

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DE

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64

ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO

65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

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SE

CcedilAtilde

OD

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1

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CcedilAtilde

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A A

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65

ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS

ES

CA

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CcedilAtilde

OD

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ES

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CcedilAtilde

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A A

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A A

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TA

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11