projeto mecânico de um aerogerador de eixo vertical para

PROJETO MECÂNICO DE UM AEROGERADOR DE EIXO VERTICAL PARA

MICROGERAÇÃO EM AMBIENTES URBANOS

Luiza Pinheiro de Macedo

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

Rio de Janeiro

Março de 2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ




PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________

Prof. Flávio de Marco Filho, Dr.Ing.

________________________________________________

Prof. ??; Dr.Ing.

________________________________________________

Prof. ??; Dr.Ing

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

MARÇO DE 2015

i

Macedo, Luiza Pinheiro

Projeto Mecânico de um aerogerador de Eixo Vertical para

Microgeração em Ambientes Urbanos/ Luiza Pinheiro de Macedo. –

Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2015.

VI, 42 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Flávio de Marco Filho

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Departamento

de Engenharia Mecânica, 2015.

Referências Bibliográficas: p. 16.

1.Turbina Eólica. 2. Aerogerador. 3. Protótipo. 4. Energia Eólica.

I. Filho, Flávio de Marco. II. Universidade Federal do

Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia

Mecânica. III. Projeto de um protótipo de uma turbina

eólica de eixo horizontal.

ii

Agradecimentos

Primeiramente gostaria de agradecer à minha mãe, Regina Lucia Macedo, e a minha

irmã, Vivian Macedo, que me apoiaram durante todo o curso, principalmente nessa reta

final.

Gostaria de agradecer meus amigos da faculdade que me motivaram e me ajudaram

durante todos esses anos. Em especial Adriano Tebaldi, Larissa Lima, Hayana Marques,

Fernando Toledo e Daniel Giansante, que sempre acreditaram em mim e me ajudaram

nos momentos mais difíceis. E também aos amigos da Technip que me ajudaram e

opinaram em todo o projeto.

Agradeço ao meu orientador, Flávio de Marco Filho, que sempre esteve disposto a me

receber e tirar as dúvidas que surgiram ao longo do projeto. Gostaria de agradecer também

aos professores da mecânica que me acompanharam durante esses anos.

Ao Luiz César e a Sílvia Azevedo da Enersud que me forneceram conhecimento

e materiais essenciais para que esse projeto fosse realizado.

iii

Resumo do projeto de graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos

necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.




Março/2015

Orientador: Flávio de Marco Filho

Curso: Engenharia Mecânica

O trabalho apresenta o dimensionamento e os desenhos dos componentes mecânicos

de uma turbina eólica de eixo vertical para uso em ambientes urbanos, de geração de

potência suficiente para uma residência de médio porte nos meses de maiores demandas

do ano. Os cálculos consideram vento com velocidade constante e horas limitadas de

funcionamento.

A escolha da orientação do eixo de rotação da turbina foi devido ao fato de que

em ambientes urbanos o vento é turbulento e com grandes variações de direção, e

acredita-se que nesses casos a turbina de eixo vertical possui uma melhor eficiência.

Palavras chave: Energia eólica, Aerogerador, Turbina eólica, eixo vertical.

iv

Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of fulfillment of the

requirements for the degree of Engineer.

MECHANICAL PROJECT OF A VERTICAL AXIS WIND TURBINE FOR

MICROGENERATION FOR URBAN ENVIRONMENT


March/2015

Advisor: Flávio de Marco Filho

Course: Mechanical Engineering

The paper presents the design and drawings of the mechanical components of a

vertical axis wind turbine for use in urban environments, sufficient power generation for

a medium-sized house in the months of highest demands of the year. The calculations

include a constant wind speed and limited working hours.

The choice of the orientation of the axis of rotation of the turbine is due to the fact

that in urban environments wind is turbulent, with large variations of direction, and it is

believed that in these cases the vertical axis turbine has improved efficiency.

Keywords: Wind energy, Wind Turbine, vertical axis.

v

Sumário

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

1.1. Cenário Energético Atual ----------------------------------------------------------------------------- 1

1.2. Histórico -------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DAS TURBINAS EÓLICAS ........................... 5

2.2. Diferentes características das turbinas verticais e horizontais --------------------------------- 6

2.3. Motivos para a escolha da VAWT ------------------------------------------------------------------ 7

3. PROJETO E DIMENSIONAMENTO ........................................................................ 8

3.1. Considerações Iniciais para o Dimensionamento ------------------------------------------------ 8

3.2. Rotor ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 8

3.2.1. Forças Aerodinâmicas --------------------------------------------------------------------------------- 9

3.3. Eixo de rotação ----------------------------------------------------------------------------------------- 11

3.4. Parafuso de ligação eixo-alternador ---------------------------------------------------------------- 16

3.5. Seleção de Rolamentos ------------------------------------------------------------------------------- 16

3.6. Seleção de Freio---------------------------------------------------------------------------------------- 17

4. CONCLUSÃO ................................................................................................................ 19

5. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................... 20

APÊNDICE I – DESENHOS TÉCNICOS ...................................................................... 21

APÊNDICE II – COMPONENTES COMERCIAIS .................................................... 36

vi

ÍNDICE DAS FIGURAS

Figura 01 – Estudo de Capacidade de Energia Eólica Instalada de 2013 até 2050 ......... 2

Figura 02 – Variação da Matriz Energética Brasileira de 2012 para 2014 .......................2

Figura 03 – Evolução Mundial da capacidade eólico-elétrica instalada em GW..............4

Figura 04 – Aerogeradores de Eixo Horizontal e de Eixo Vertical ..................................5

Figura 05 – Aerogeradores de Eixo Vertical – Diferentes tipos de pá .............................6

Figura 06 – Forças aplicadas ao longo de uma rotação numa VAWT .............................9

Figura 07 – Eixo .............................................................................................................11

Figura 08 – Gráfico sensibilidade ao entalhe pelo raio do entalhe .................................13

Figura 09 – Gráfico de r/d por Kt ...................................................................................14

Figura 10 – Especificações do Freio ...............................................................................37

Figura 11 – Dados Técnicos do Freio .............................................................................38

Figura 12 – Especificações do Rolamento B ..................................................................39

Figura 13 – Especificações do Rolamento A ..................................................................39

Figura 14 – Especificações do Alternador ......................................................................40

Figura 15 – Desenho de Referência do Alternador ........................................................41

Figura 16 – Catálogo de Tubos ......................................................................................42

LISTA DE ABREVIATURAS

HAWT – Horizontal Axis Wind Turbine

VAWT – Vertical Axis Wind Turbine

1

1. Introdução

1.1. Objetivo

Este trabalho tem como objetivo projetar um aerogerador de pequeno porte voltado

para microgeração em áreas urbanas. O aerogerador seria focado para funcionamento

em pequenas áreas de pouca utilização nas cidades, tais como, no topo de residências e

edifícios. Visando uma proximidade do consumidor, reduzindo as perdas de transporte

pela linha.

1.2. Cenário Energético Atual

O grande avanço da energia solar e eólica nos trouxe a um ponto que prova que está

em nosso alcance um futuro energeticamente sustentável. Essa mudança já vem sendo

adotada por vários países.

Durante muitos anos, a matriz energética mundial era baseada em usinas

termoelétricas que utilizavam carvão ou óleo como fontes primárias. Mas com o aumento

do preço do petróleo, o custo da energia aumentou e os países importadores começaram

a mudar o panorama de suas matrizes energéticas e iniciaram a pesquisa de outras fontes

para substituir as usuais, e que fossem menos agressivas ao ambiente.

Atualmente o setor energético responde por 40% das emissões de CO2 na atmosfera.

Para mudar esse cenário, precisamos aumentar a eficiência energética dos métodos mais

utilizados para geração elétrica, diminuir a utilização de termoelétricas e se possível

mudar seu combustível para o gás natural. Além disso, continuar investindo em energia

renovável. (1)

Um estudo desenvolvido pelo Global Wind Energy Council com o Greenpeace

International e o German Aerospace Centre prevê a capacidade instalada de geração

eólica mundial até o ano de 2050, em diferentes cenários políticos de incentivo. Em um

cenário moderado, que considera a manutenção do incentivo atualmente empregado, em

2050 teremos um aumento de 646% da capacidade instalada em 2015. O cenário

2

avançado é mais ambicioso, considerando o melhor crescimento possível para a geração

eólica, resultando em um aumento de 961%.(1)

Figura 01 – Estudo de Capacidade de Energia Eólica Instalada de 2013 até 2050

Fonte: Global Wind Energy Outlook 2014

No Brasil, por ter abundância de recursos hídricos, para aumentar sua capacidade

geradora investiu muito em usinas hidrelétricas. Porém, eventualmente passamos por

fortes crises hídricas, o que serve como incentivo para investir em outras formas de

geração de energia. Pois o acionamento das termoelétricas aumenta o custo de geração.

Figura 02 – Variação da Matriz Energética Brasileira de 2012 para 2014

3

Fonte: ONS e MCTI – relatório de fator médio mensal

Com a queda da geração hídrica, é possível verificar um pequeno aumento na fatia

de geração por parte dos ventos. A expectativa é com o volume dos reservatórios cada

vez mais baixos, incentive o investimento nas energias renováveis, principalmente

energia solar e eólica.

O país como um todo, não possui ventos incidentes ideais para geração eólica em

larga escala. Existem certas regiões que são apropriadas, como a Zona Litorânea Norte-

Nordeste, que se estende do extremo norte do Amapá até o Rio Grande do Norte, em que

os ventos conseguem atingir a velocidade de 9 m/s. (2)

1.3. Histórico

A energia proveniente dos ventos é utilizada há séculos pela humanidade,

principalmente em projetos de irrigação e moagem de grãos. Porém muitos anos se

passaram até que começassem a usar esse mecanismo para geração elétrica.

No século XIX, os países que estavam na liderança do desenvolvimento eólico

eram os EUA e a Dinamarca. Cientistas destes países trabalhavam essencialmente em

máquinas de eixo horizontal. Além destes países, a antiga União Soviética, França e

Alemanha também tinham cientistas trabalhando em máquinas de eixo horizontal e que

tinham a capacidade de geração de até 1MW. (3)

Apesar destes desenvolvimentos, o assunto de geração eólica somente ganhou

força após o aumento substancial do preço do petróleo no ano de 1973. A partir deste

momento países como EUA, Alemanha, Inglaterra e Suécia despontaram como principais

desenvolvedores de novas turbinas capazes de produzir cada vez mais eletricidade. Os

estudos eram financiados, em sua grande maioria, por instituições governamentais. (3)

4

Figura 03 – Evolução Mundial da capacidade eólico-elétrica instalada em GW

Fonte: Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, 2001

A primeira turbina eólica de eixo vertical (VAWT), foi feita em 1888 pelo norte

americano Charles Brush. Em 1922, Sigurd Johannes Savonius apresentou a turbina de

eixo vertical de simples funcionamento que recebeu o nome de Savonius. Nove anos

depois, em 1931, George Darrieus patenteou dois modelos de VAWT, a Darrieus e a

Giromill. (3)

5

2. Características Básicas das Turbinas Eólicas

2.1. Classificação dos aerogeradores

Os aerogeradores podem ser classificados pela potência gerada, forma

construtiva e pelos tipos de pá.

Quanto a potência gerada, podem ser classificados em:

Pequeno porte – até 50 kW de potência

Médio porte – de 50 kW até 1MW de potência

Grande porte – acima de 1 MW de potência

Em relação à forma construtiva:

Turbinas de eixo horizontal (HAWT) – Figura 4.1

Turbinas de eixo vertical (VAWT) – Figura 4.2

Figura 04 – Aerogeradores de Eixo Horizontal e de Eixo Vertical

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine

E entre as turbinas de eixo vertical, podemos classifica-las pelos tipos de

pá:

Pás de arrasto – Se movem pela força de arrasto causada pelo

fluxo de ar em sua superfície.

1 2

6

Pás de sustentação – Possuem um perfil aerodinâmico e com a

passagem do ar causa o aparecimento de uma força de

sustentação perpendicular ao fluxo de ar gerando movimento.

O rotor Savonius (figura 5.1) é um exemplo de rotor com pás de

arrasto e o Darrieus (figura 5.2) um rotor com pás de sustentação.

Figura 05 – Aerogeradores de Eixo Vertical – Diferentes tipos de pá

Fonte: alvaro.lima.vieira.50megs.com

O foco desse projeto é um aerogerador de eixo vertical com pás do tipo

H-Darrieus (figura 5.3) de pequeno porte.

2.2. Diferentes características das turbinas verticais e horizontais

Vários aspectos diferenciam os aerogeradores horizontais dos verticais,

além da direção do eixo de rotação.

As vantagens apresentadas pela VAWT em relação à HAWT são que seus

componentes mecânicos se encontram em um nível próximo ao chão, facilitando

o acesso e consequentemente a manutenção; ela não depende da direção do vento

para funcionar; e caso seja utilizado um gerador de baixa rotação em uma VAWT,

1 2 3

7

não é necessária transmissão e pode-se fazer um acoplamento direto do eixo com

o gerador. Além disso, a construção de uma turbina de eixo vertical é mais barata

que a de eixo horizontal, pois na horizontal toda a carga está localizada na parte

superior, exigindo uma torre muito mais robusta. [4)

As turbinas de eixo horizontal geram maior potência e são mais eficientes,

porém elas exigem uma torre mais alta já que precisam de ventos laminares para

seu funcionamento e também necessitam estar alinhadas com o mesmo. O

material da torre da HAWT sofre menos com fadiga, por causa do escoamento

permanente para o mesmo ângulo de ataque. [4)

Há estudos para comprovar que a diferença de potência entre os dois

modelos de turbina não é muito discrepante, pois a HAWT faz pequenas paradas

para se alinhar com o vento incidente, o que não acontece na VAWT.

2.3. Motivos para a escolha da VAWT

O motivo principal para a escolha de utilizar uma turbina vertical e não a

turbina horizontal deve-se ao lugar escolhido para gerar a energia.

A VAWT necessita de menos espaço para seu funcionamento e é capaz de

gerar energia com ventos turbulentos vindos de várias direções, o que possibilita

a sua utilização em ambientes urbanos. A instalação no topo de edifícios e

residências faz o aproveitamento de um espaço pouco utilizado, e a aproximação

da geração com o consumo evita perdas inerentes ao transporte da energia elétrica

na rede, que hoje é estimada em 7,5%. [5] A rotação mais lenta de uma turbina

vertical faz com que ela seja mais silenciosa, portanto não causaria problemas

nesses ambientes povoados.

Assim, uma forma de geração limpa e perto da civilização é uma solução

em potencial para a alta demanda energética dos grandes centros.

8

3. Projeto e Dimensionamento

3.1. Considerações Iniciais para o Dimensionamento

Para dar início ao projeto, definimos algumas premissas para simplificação. Os ventos

incidentes estão em regime laminar e possuem velocidade constante e igual a 8 m/s. As

turbinas são projetadas para serem instaladas em cima de prédios e residências.

Além do rendimento da turbina, conhecido também como Limite de Betz, definido

com o valor de 40%.

3.2. Rotor

Iniciando os cálculos aerodinâmicos da turbina, definimos o valor da tip speed

ratio (TSR) que depende do modelo da mesma. Para o nosso modelo, uma H-

Darrieus, é recomendado um valor de TRS igual à 4. [4]

Com o TSR definido, calculamos através da formula (1) o valor de ωr.

𝜆 =𝜔𝑟

𝑉∞ (1)

Visando um acoplamento direto do eixo com o alternador de baixa rotação para

redução os custos de fabricação, foi fixado o valor desejado de ω em 100 RPM.

Resultando em um diâmetro de 3,5 m.

Por motivos estruturais, foi definida uma altura de 4 m para as pás. Assim, a área

de varredura do ar da VAWT é de 14 m². Já levando em consideração o Limite de

Betz, a potência teórica gerada pela turbina é de 1634,3 W.

Para o dimensionamento das pás, foi utilizada a fórmula (2) para se obter o valor

da corda.

𝜎 =(𝑁∗𝑐)

𝐷 (2)

Sendo N igual ao número de pás, σ a solidez da turbina. O valor adotado para σ foi de

0,15, e ele está diretamente relacionado ao nosso valor da TSR. Usaremos 3 pás no

nosso rotor, pois há experimentos que provam que utilizar um número maior que esse

9

de pás não aumenta o rendimento da turbina o suficiente para compensar o aumento

de custo de construir mais pás. [4] Resultando em pás com a corda de 0,175 m.

O perfil escolhido para o rotor foi o NACA 0012 por ser um perfil simétrico e

ótimo para esse tipo de aplicação.

3.2.1. Forças Aerodinâmicas

A velocidade relativa do ar em relação às pás não é constante durante o giro do

rotor. Podemos obter as velocidades tangencial e normal com as equações (3) e (4).

𝑉𝑡 = 𝑟𝜔 + 𝑉∞cos(𝜃) (3)

𝑉𝑛 = 𝑉∞𝑠𝑒𝑛(𝜃) (4)

sendo:

𝑉𝑡 = velocidade tangencial do rotor em m/s

𝑉𝑛 = velocidade normal do rotor em m/s

θ = ângulo de posição da pá no rotor

Figura 06 – Forças aplicadas ao longo de uma rotação numa VAWT

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Vertical_axis_wind_turbine

Como a velocidade relativa não é constante, o ângulo de ataque α também varia

ao longo dos 360°. Calculamos esse ângulo com a fórmula (5).

10

𝛼 = 𝑡𝑎𝑛−1(𝑉𝑛

𝑉𝑡) (5)

Calculado o número de Reynolds, obtemos os valores dos coeficientes de

sustentação (𝐶𝐿) e de arrasto (𝐶𝐷) para calcular os valores dos coeficientes da força

tangencial e da força normal.

𝐶𝑡 = 𝐶𝐿𝑠𝑒𝑛(𝛼) − 𝐶𝐷 cos(𝛼) (6)

𝐶𝑛 = 𝐶𝐿cos(𝛼) +𝐶𝐷𝑠𝑒𝑛(𝛼) (7)

Sendo:

𝐶𝑡= coeficiente de força tangencial

𝐶𝑛= coeficiente de força normal

A força resultante tangencial é dada pela equação (8).

𝐹𝑡 = 𝐶𝑡.1

2. 𝜌. 𝑐. ℎ. 𝑤2 (8)

Sendo que:

𝑤 =√𝑉𝑡2 + 𝑉𝑛

2 (9)

E a força resultante normal é:

𝐹𝑛 = 𝐶𝑛.1

2. 𝜌. 𝑐. ℎ. 𝑤2 (10)

A força normal causará a flexão do eixo de rotação, e sua intensidade é de 30 N.

A resultante tangencial multiplicada pelo raio do rotor da turbina resulta no torque

sofrido pela mesma, e tem um valor de 28038 Nmm.

Os dados utilizados e obtidos nos cálculos são:

11

V∞ 8 m/s

P 1634,3 W

D 3,5 m

L 4 m

N 3

σ 0,15

c 0,175 m

Tabela 01 – Resumo dados obtidos

3.3. Eixo de rotação

Para o dimensionamento do eixo de rotação principal, calculamos as forças

atuantes na seção anterior. Através de um diagrama de corpo livre usando o equilíbrio,

foi possível definir os valores das reações nos rolamentos. Após os cálculos de

momento fletor ao longo do eixo, é identificada a seção mais solicitada, que é na

posição do rolamento superior (Apoio B). [6]

Figura 07 – Eixo

B

A

12

O material escolhido para construção do eixo foi o Aço AISI 4340, laminado e

recozido.

O eixo foi dimensionado em função da fadiga dessa seção mais solicitada. Para os

cálculos de resistência à fadiga, definimos seis coeficientes. [7]

𝐾𝑎– Fator de Superfície[7]

𝐾𝑎 = 𝑎 ∗ 𝑆𝑢𝑏 (11)

Sendo:

𝑆𝑢 = Resistência à tração mínima do material

Os valores de a e b são tabelados e dependem da qualidade do acabamento da

superfície do eixo.

𝐾𝑏 – Fator de Tamanho [7]

O valor de 𝐾𝑏 depende somente do diâmetro da seção mais solicitada. É definido

pela fórmula (12).

𝐾𝑏 = 1,51 ∗ 𝑑−0,157 (12)

𝐾𝑐 – Fator de Carregamento [7]

O fator de carregamento ele é fixo para cada tipo de carga que o elemento

analisado sofre. O eixo projetado sofre flexão, torção e compressão. Porém, o valor de 𝐾𝑐

para torção é o mais conservador, por isso ele foi utilizado.

𝐾𝑐 = 0,59 (13)

𝐾𝑑 – Fator de Temperatura [7]

Consideraremos o valor de 𝐾𝑑 referente à uma temperatura de 30°C,

aproximadamente a temperatura ambiente.

𝐾𝑑 = 1,0 (14)

𝐾𝑒 – Fator de Confiabilidade [7]

Foi considerada uma confiabilidade de 95%.

𝐾𝑒 = 0,868 (15)

𝐾𝑓 – Fator de Concentração de Fadiga [7]

O fator de concentração de fadiga é dado pela fórmula (16).

13

𝐾𝑓 = 1 + 𝑞(𝐾𝑡 − 1) (16)

Sendo:

𝑞 = sensibilidade ao entalhe

𝐾𝑡 = fator de concentração de tensão de fadiga

O valor de q é dado através do gráfico raio de entalhe pela sensibilidade ao entalhe.

Figura 08 – Gráfico sensibilidade ao entalhe pelo raio do entalhe

Fonte: Elementos de Maquinas de Shigley, 8 ed.

Para calcularmos o 𝐾𝑡, é preciso primeiro calcular as razões:

𝐷

𝑑 (17)

𝑟

𝑑 (18)

Depois, usando esses dois valores, tiramos do gráfico a seguir o valor de 𝐾𝑡.

14

Figura 09 – Gráfico de r/d por Kt

Fonte: Elementos de Maquinas de Shigley, 8 ed.

Depois de todos os coeficientes calculados, eles serão utilizados para calcular o

valor do limite de resistência à fadiga no local crítico, que é dada por:

𝑆𝑒 =𝐾𝑎𝐾𝑏𝐾𝑐𝐾𝑑𝐾𝑒𝐾𝑓𝑆𝑒′ (19)

O 𝑆𝑒′ é o limite de resistência a fadiga de corpo de prova de teste da viga rotativa

e o valor considerado foi a metade do 𝑆𝑢 do material.

O fator de segurança à fadiga no eixo da turbina eólica vertical projetada será

calculado pelo Critério de Soderberg. Para isso, primeiro precisamos identificar as

tensões provocadas pelas cargas. O eixo está submetido à flexão, cisalhamento e

torção.

A tensão de flexão é dada por, [8]

𝜎 =𝑀𝑟

𝐼 (20)

Sendo:

𝑀 – Momento fletor máximo

𝑟 – Raio da seção

𝐼 – Momento de inércia

15

E a tensão de cisalhamento para um eixo de seção circular pode ser calculado

através da formula:

𝜏 =4𝑉

3𝜋𝑟2 (21)

Sendo:

𝑉 – Esforço Cortante

A tensão devido à torção é: [8]

𝜏 =𝑇𝑟

𝐽 (22)

Sendo o 𝐽 obtido por:

𝐽 =𝜋𝑑4

32 (23)

Com a tensão equivalente de Von Mises, definimos os valores de 𝜎𝑚e 𝜎𝑎.

𝜎𝑒𝑞 = √𝜎𝑥2 + 𝜎𝑦2 − 𝜎𝑥𝜎𝑦 + 3𝜏𝑥𝑦2 (24)

𝜎𝑚 =𝜎𝑚𝑎𝑥+𝜎𝑚𝑖𝑛

2 (25)

𝜎𝑎 =|𝜎𝑚𝑎𝑥−𝜎𝑚𝑖𝑛|

2 (26)

As forças atuantes são todas alternantes, por isso 𝜎𝑚é nula. Agora com todos os

valores já calculados, pelo Critério de Soderberg é dado o fator de segurança à fadiga do

eixo.

𝜎𝑎

𝑆𝑒+

𝜎𝑚

𝑆𝑦=

1

𝑛 (27)

Para o eixo projetado com diâmetro na seção mais solicitada de 25mm, foi

calculado um fator de segurança 𝑛 = 10.

Porém, como o eixo sofre também compressão devido ao peso do rotor aplicado

na extremidade superior, é necessário analisar se ocorre flambagem.

Todos os componentes do rotor juntos fazem uma força de 1055N na ponta do

eixo. Como os suportes do rotor são equidistantes, consideraremos a força centralizada.

A ponta é livre, então:

𝐶 =1

4 (28)

Com a fórmula (29), definimos o valor do diâmetro mínimo necessário para aguentar

o peso dos componentes.

16

𝑑 = √64𝑛𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡𝑙

2

𝜋3𝐶𝐸

4 (29)

Utilizando um fator de segurança 𝑛 = 3 e o 𝑙 é a distância entre a ponta e o

rolamento mais alto, 𝑙 = 0,66𝑚, é calculado um diâmetro mínimo de 15,6 mm. Como o

diâmetro mínimo é menor que o escolhido, não ocorre a flambagem no eixo.

3.4. Parafuso de ligação eixo-alternador

O torque produzido pela passagem do vento no rotor é transferido do eixo de rotação

para o eixo do alternador de baixa rotação, onde é transformado em energia elétrica. Foi

escolhido um alternador comercial, e sua transmissão de torque é realizada por dois pinos

de 25 mm de diâmetro.

Usando como pino dois parafusos M24 de grau 1 para transmissão do torque, obtemos

um fator de segurança de muito além do necessário para suportar essa carga. Concluindo

assim que podemos usá-los para essa função.

3.5. Seleção de Rolamentos

No conjunto mecânico, está prevista a utilização de dois rolamentos. Foram utilizados

modelos de rolos cônicos devido à presença de cargas axiais causadas pelo peso do rotor

no eixo.

As forças normais que atuam no rolamento já foram calculadas antes, mas a força

axial presente em um dos rolamentos é dada pelas formulas,

𝐹𝑎𝐵 =0,5𝐹𝑟𝐵

𝑌𝐵 (30)

𝐹𝑎𝐴 = 𝐹𝑎𝐵+𝐹𝑎 (31)

Sendo:

𝐹𝑎𝐵 = Força axial no rolamento B

𝐹𝑟𝐵 = Força radial no rolamento B

𝐹𝑎𝐴 = Força axial no rolamento A

Depois de obtidas essas forças, é possível calcular a pressão atuante em cada

rolamento.

17

𝑃 = 0,4 ∗ 𝐹𝑟 + 𝑌𝐹𝑎 (32)

Sendo:

𝑌 = Fator de carga axial

Assim através da formula (33) calculamos a vida do rolamento em ciclos.

𝐿10 = (𝐶

𝑃)

10

3 (33)

Para os rolamentos projetados foi encontrada uma vida de 393 ∗ 106 para o rolamento

A e 7038 ∗ 106 para o rolamento B. Se considerarmos um funcionamento de 8 horas

diárias todos os dias do ano, seria equivalente a 22 anos para o rolamento A e 407 anos

para o rolamento B.

3.6. Seleção de Freio

A turbina foi projetada para ventos de 8 m/s, quando a velocidade do vento ultrapassa

esse valor é necessário que um freio interrompa o movimento da turbina para evitar que

danifique os componentes.

O freio escolhido para o projeto foi um Combinorm-B, um dos modelos de freio

eletromagnéticos da KEB.

Para selecionar o tamanho do freio, foi utilizada a fórmula: [10]

𝑀2𝑁 = 𝑀𝑒𝑟𝑓 ∗ 𝐾 (34)

Sendo:

𝑀2𝑁 = Torque de dimensionamento

𝑀𝑒𝑟𝑓 = Torque necessário para frenagem

𝐾 = Fator de segurança

O valor mínimo para esse fator de segurança é dois. Então para o projeto podemos

utilizar o freio de tamanho 09. [10]

Para calcular a vida do freio, primeiro é necessário calcular a carga térmica

durante o funcionamento e checar se esta é menor do que o valor máximo recomendado

18

pelo fabricante. O fator de segurança para a carga térmica do freio escolhido para as

condições de operação do projeto é 𝑛𝑇 = 203.

Com o dado da carga térmica já calculado, podemos dizer a vida do freio através

dos dados presentes no catálogo, resultando numa vida de 6647 operações.

19

4. Conclusão

A construção de uma turbina eólica vertical apresenta um custo elevado para que se

torne um item comum nas residências. Porém, cada vez mais será necessário pensar em

outras formas de geração energética para atender a demanda crescente dos grandes

centros. Com mais pesquisas dedicadas ao assunto a tendência é a otimização da

fabricação, redução do seu custo e melhoria na eficiência.

Uma residência brasileira de classe média alta na região sudeste, que representa uma

parte de nosso consumidor alvo, consome aproximadamente 0,205 MW/h no mês de

maior consumo que é fevereiro. (9) A turbina vertical projetada tem capacidade de

sustentar até duas residências. Caso seja implementado na nossa rede elétrica o sistema

de injeção de energia, é possível vender para a distribuidora o excesso de energia

produzido, o que diminuiria custos e incentivaria o mercado de microgeração energética.

20

5. Bibliografia

[1] GLOBAL WIND ENERGY COUNSIL.. Global Wind Energy Outlook Disponível

em:< http://www.gwec.net/wp-content/uploads/2014/10/GWEO2014_WEB.pdf >. Data

de acesso: 12 de fev. 20015

[2]Amarante,Odilon, Zack, Michael e Sá, Antônio. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro,

Brasília, 2001.

[3] Eriksson, Sandra, Bernhoff, Hans e Leijon, Mats. Evaluation of different turbine

concepts for wind power.Renewable & sustainable energy reviews. 2006, Vols. 12

[4] Paraschivoiu, Ian, Wind turbine design, With emphasis on Darrieus concept, 1 ed.

Presses Internationales Plytechnique, 2002.

[5] ANEEL – Agência Nacional de Energia.. Perdas de energia Disponível em:<

http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=801>. Data de acesso: 21 de fev. 20015

[6] Féodosiev, Resistência dos Materiais, Edições Lopes da Silva, Porto, Portugal,

1977.

[7] Shigley, Joseph E., Mischke, Charles R., Budynas, Richard G., Elementos de

Máquinas de Shigley. Projeto de Engenharia Mecânica, 7ª ed., 2005.

[8] Crandall, Stephen H., Dahl, Norman C., An Introduction to the Mechanics of

Solids, 3ªed, 1978.

[9] EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, Consumo Mensal de Energia Elétrica

por Classe (regiões e subsistemas) 2004-2014. Disponível em:

<http://www.epe.gov.br/mercado/Documents/Consumo%20Mensal%20de%20Energia

%20El%C3%A9trica%20por%20Classe%20(regi%C3%B5es%20e%20subsistemas)%2

0-%202004-2014.xls>. Data de acesso: 19 de fev. 2015

[10] KEB, Combinorm Eletromagnetics Clutches and Brakes, 2007.

21

Apêndice I – Desenhos técnicos

22

Lista de desenhos:

Desenho 01: Montagem

Desenho 02: Eixo

Desenho 03: Suporte Eixo Inferior

Desenho 04: Suporte Eixo Superior

Desenho 05: Ligação Eixo Pá

Desenho 06: Apoio Pá Interno

Desenho 07: Apoio Pá Externo

Desenho 08: Pá

Desenho 09: Base

Desenho 10: Flange Tampa Inferior

Desenho 11: Flange Tampa Carcaça

Desenho 12: Tampa Superior Carcaça

400

0

493

7,23

35

00

Montagem

A0

DES. Nº

TÍTULO

Desenho 01Escala 1:10

Luiza Pinheiro de Macedo01/03/2015

Universidade Federal do Rio de JaneiroTrabalho de Conclusão de Curso

Lista de componentes Número do desenhoDesenho 02Desenho 03Desenho 04Desenho 05Desenho 06Desenho 07Desenho 08Desenho 09Desenho 10Desenho 11Desenho 12

EixoSuporte Eixo Inferior

Suporte Eixo SuperiorLigação Eixo PáApoio Pá Interno

Apoio Pá Externo Pá Base

Flange Tampa Inferior Flange Inferior Carcaça Flange Superior Carcaça

Desenho 13Tampa Superior Carcaça

200

25

80

25

40 95

--0,040,07

205

2

45

35 -00,25

60

25 --0,020,04

110

500

20

145

A

120

98

2 x 6

12

DETALHE A ESCALA 1 : 2

Eixo

A4DES. Nº

TÍTULO:MATERIAL:DATANOME

Aço SAE 4340

Desenho 02

Escala 1:10

01/02/2015


Luiza Macedo

10

70

35

12

20

15

20 R40

Suporte Eixo Inferior

A4DES. Nº


Aço SAE 4340

Escala 1:2

Desenho 03

01/03/2015


Luiza Macedo

70

35

R40

15

20

2 x 6

12

120°

10

Suporte Eixo Superior

A4DES. Nº


Aço SAE 4340

Escala 1:2

Desenho 04

01/03/2015


Luiza Macedo

10

1650

13 15

15 1

5 13

6,50°

15

Ligação Eixo-Pá

A4DES. Nº


Aço SAE 4340

Escala 1:10

Desenho 05

17/02/2015


Luiza Macedo

10

60

40

46,84

15

15

13

6,50°

Apoio Pá Interno

A4DES. Nº


Aço SAE 4340

Escala 1:1

Desenho 06

01/03/2015


Luiza Macedo

10

60

50

13

15

15

Apoio Pá externo

A4DES. Nº


Aço SAE 4340

Escala 1:1

Desenho 07

17/02/2015


Luiza Macedo

175

400

0

13

60,5

50

15

15

178

5 4

80

Pá

A4DES. Nº


Fibra deVidro

Escala 1:20

Desenho 08

21/02/2015


Luiza Macedo

30

100

0

1000

6 x 12

170

500

500

Base

A4DES. Nº


Aço SAE 4340

Escala 1:10

Desenho 09

22/02/2015


Luiza Macedo

679,06

20

56

180

200

56

20

800

R400

8 x 12

R380

Flange Tampa Inferior

A4DES. Nº


Aço SAE 4340

Escala 1:10

Desenho 10

01/03/2015


Luiza Macedo

202,70

180

20

20

R400

8 x 12

R380

Flange Inferior Carcaça

A4DES. Nº


Aço SAE 4340

Escala 1:10

Desenho 11

01/03/2015


Luiza Macedo

150

202,74

20

20

R15

0

8 x 12

R130

Flange Superior Carcaça

A4DES. Nº


Aço SAE 4340

Escala 1:2

Desenho 12

01/03/2015


Luiza Macedo

150

210

47

70,

73

20 44,

73

10 4 x 6,60

36

68,50

R12,50

R150

8 x 12

R130

Tampa Superior Carcaça

A4DES. Nº


Aço SAE 4340

Escala 1:2

Desenho 13

01/03/2015


Luiza Macedo

36

Apêndice II – Componentes Comerciais

37

Figura 10 – Especificações do Freio

38

Figura 11 – Dados Técnicos do Freio

39

Figura 12 – Especificações do Rolamento B

Figura 13 – Especificações do Rolamento A

40

Figura 14 – Especificações do Alternador

41

Figura 15 – Desenho de Referência do Alternador

42

Figura 16 – Catálogo de Tubos

Fonte: Flex – Comércio de Válvulas e Conexões Ltda.