Relatório Parcial 17-04-2014 - Análise Modal de Pá Eólica

8/17/2019 Relatório Parcial 17-04-2014 - Análise Modal de Pá Eólica

http://slidepdf.com/reader/full/relatorio-parcial-17-04-2014-analise-modal-de-pa-eolica 1/12

Análise Modal de Pá Eólica

ENERSUD Gerar246

Danillo CardimLais Costa e Castro

Rafael Incaua de Souza EsashikaMarcus Vinicius Girão de Morais1

Maura Angélica Milfont ShzuSuzana Moreira Ávila

1 Introdução e Considerações Gerais

No contexto do projeto de desenvolvimento de uma turbina hidrocinética com potência nominal

de 500kW, diâmetro de 10 metros, com rotores de 3 pás e eixo horizontal, este trabalho tem por principal

objetivo colaborar no projeto e dimensionamento de pás compósitas e metálicas, de raio nominal de 5

metros, incluindo: (i) seleção de materiais; (ii) especificações das matérias primas tais como fibras, resinas,

adesivos, espumas, ligas metálicas e “gel coat”; (iii) dimensionamento preliminar dos componentes da pá,

tais como longarinas, cascas de revestimento, bordos de ataque e de fuga, núcleo de espuma de células

fechadas e cilindro metálico flangeado para fixação da raiz da pá no rotor; (iv) estabelecimento e descrição

dos processos de fabricação mais favoráveis; (v) estimativa de parâmetros físicos e geométricos, incluindo

massas, momentos de inércia e dimensões em geral; e (vi) a partir das cargas hidrodinâmicas, realizar

cálculos estruturais de rigidez, estabilidade elástica e resistência mecânica, utilizando-se o método dos

elementos finitos e, se necessário, as teorias micro e macromecânicas para materiais compósitos de

matriz polimérica, ou seja, para lâminas e laminados de material plástico reforçado com fibras.

O presente trabalho busca efetuar a análise modal experimental clássica de uma pá de turbina

eólica a fim de avaliar o comportamento vibratório deste dispositivo. Além disto, busca-se verificar a

expertise do grupo de pesquisa em realizar tal procedimento experimental com os meios laboratoriais

presentes no Laboratório de Vibração do Grupo de Dinâmica de Sistemas (UnB-FT/EnM/GDS/LV). São

realizadas a identificação dos parâmetros modais através de duas técnicas experimentais tipo SISO (1GdL)

para 27 pontos de ensaio. Efetua-se ainda a verificação da consistência dos resultados obtidos para os

primeiros vinte modos de vibração.

2 Descrição do Ensaio Experimental da Pá Eólica

A pá eólica ensaiada compõe o aerogerador ENERSUD GERAR 246 adquirido para a avaliação da

expertise de ensaio modal experimental clássico e identificação dos parâmetros modais da pá.

Para aumentar as possibilidades de sucesso no ensaio experimental, a pá eólica é posicionada

horizontalmente com o bordo de ataque votado para baixo em um cavalete devidamente ancorado por

sacos de arreia em sua base, conforme Figura 1. A pá eólica é fixa ao cavalete através de tiras de algodão

costurado para garantir um comportamento do tipo livre-livre. Este posicionamento busca-se ainda

1

Autor Correspondente: Professor Adjunto II – Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia,Departamento de Engenharia Mecânica, Grupo de Dinâmica de Sistemas (UnB-FT/EnM/GDS),e-mail: [email protected]



garantir que apenas a pá eólica possua apenas movimentos de transversais ao plano formado pelas cordas

dos perfis aerodinâmicos.

Os ensaios foram realizados de fevereiro a abril de 2016 nas imediações do Laboratório de

Vibrações do Grupo de Dinâmica de Sistemas (UnB-FT/EnM/GDS/LV) no Bloco G da Faculdade de

Tecnologia.

FIGURA 1- V ISTA FRONTAL DA PÁ EÓLICA DO AEROGERADOR ENERSUD GERAR246 E M

POSIÇÃO LIVRE-L IVRE ACOMPANHADA PELA EQUIPE DE ENSAIO EXPERIMENTAL.

3

Procedimento Experimental e Equipamentos

Para a análise modal experimental foi utilizada um cavalete de carta para suspender a pá eólica

testada por meio de fitas de algodão a fim de se obter uma configuração livre-livre (Figura 2). A pá eólica

é posicionada de forma ao plano da corda estar em perpendicular a solo. Desta forma, posicionando os

acelerômetros perpendicular a corda do perfil aerodinâmico estaremos obtendo modos de vibração na

direção flapwise da pá eólica testada.

Utiliza-se os seguintes equipamentos, conforme Figura 2: (a) um sistema de aquisição com

National Instrument cDAQ 9172 (c/4 slot) + NI 9134 + NI 9133 + CPU c/ LabView (2), (b) um acelerômetro

de medida PCB 353C33 (3), (c) um acelerômetro de referência PCB 353C03 (4), e (d) um martelo de

impacto PCB 086C03 (5). Efetua-se a medida de um acelerômetro de referência, além do acelerômetro

de medida, a fim de possibilitar a identificação de análise modal operacional. Contudo, efetua-se apenas

a descrição da análise modal experimental clássica neste primeiro relatório.



Após a obtenção dos dados foi utilizado o software MATLAB (EstimaFRF) e o toolbox EasyMod

(Kouroussis, Fekih, Conti, & Verlinden, 2012) para analisar os dados gerando as funções de resposta em

frequência (FRFs) e obtendo as frequências e modos naturais dos painéis.

FIGURA 2- VISTA LATERAL DA PÁ EÓLICA DO AEROGERADOR ENERSUD GERAR246 E M

POSIÇÃO LIVRE-L IVRE ACOMPANHADA PELA EQUIPE DE ENSAIO EXPERIMENTAL.

A Figura 3 representa os pontos 27 pontos de medida divididas em 17 seções medições. As

medições superior e inferior a linha central do eixo de fixação da pá eólica vai das seções A até M. Até

estas seções, o acelerômetro de medição mede o movimento flapwise da pá eólica sem gerar grandes

erros. Para as seções subsequentes, é muito rápida a variação ângulo de empenamento dos perfis

aerodinâmicos e são bruscas as variações dos perfis aerodinâmicos na proximidade da raiz da pá eólica

tridimensionais. Isto impossibilita a fixação do acelerômetro paralelo a direção do movimento de vibração

flapwise da pá nesta região, principalmente nas partes inferiores da pá eólica. Logo, as seções de N até Q,

efetua apenas um ponto de medida.

FIGURA 3- ESQUEMA DOS PONTOS ENSAIADOS NA PÁ EÓLICA DO AEROGERADOR ENERSUD GERAR246.

A análise modal experimental pode ser definida como uma técnica de identificação estrutural.Ewins (2000) define a análise modal experimental como o “inverso” da teórica, pois primeiro analisa-se a



resposta do sistema, depois faz a análise modal e por fim chega ao modelo da estrutura. Esta abordagem

consiste em excitar a estrutura de forma minimamente controlada e analisar seu comportamento através

de sensores de velocidade, aceleração ou deslocamento.

Um tipo de excitador comumente utilizado é o martelo de impacto, que tem como objetivo

excitar a estrutura fazendo com que ela vibre. Para medir a resposta do sistema é comum usar

acelerômetros. Como a turbina eólica possui um peso consideravelmente maior que de um acelerômetro,

o seu uso não gera grandes erros sistemáticos de adição da massa ao sistema.

4 Resultados

Em virtude do exposto no procedimento experimental (seção 3), pode-se iniciar o procedimento

de identificação modal da pá. Preliminarmente, efetua-se a soma das FRFs para evidenciar as todas os

modos de vibração da pá estando evidenciadas ou não (por um nó, por exemplo). A Figura 4 mostra a

soma das FRFs da pá eólica em configuração livre-livre.

FIGURA 4- SOMA DAS FUNÇÕES RESPOSTA EM FREQUÊNCIA ( FRF S) D O PONTOS ENSAIADOS

NA PÁ EÓLICA DO AEROGERADOR ENERSUD GERAR246.

Em seguida, inicia-se a identificação dos parâmetros modais da pá eólica (frequência natural e

amortecimento) através de técnicas clássicas de processamento de sinal. As técnicas unimodais clássicas

são o Circle Fit e o Line Fit. Para maiores informações aconselhamos o estudo de bibliografia especializada

(Ewins, 2000).

A técnica de identificação Circle Fit está baseada na técnica de ajuste do círculo (método 1GdL)

resultando na frequência natural, fator de perda (amortecimento estrutural), e constante modal.

Efetuando-se uma escolha de intervalos para cada modo, obtém-se a identificação dos parâmetros

modais, conforme descrito na Figura 5. A técnica efetua a identificação de 1GdL para uma FRF. Para ter

uma avaliação mais precisa, efetua-se a média dos parâmetros modais determinados para todas as FRFs

obtidas por ensaio. Tabela 1 resume as médias para os primeiros 20 modos de vibração.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Frequency [Hz]

s u m o

f i n c l u d e d F R F s

[ d B ]



FIGURA 5 - IDENTIFICAÇÃO DE PARÂMETROS MODAIS ATRAVÉS DA TÉCNICA

DE C IRCLE FIT PARA UMA FRF NA PROXIMIDADE DA FREQUÊNCIA DE 298HZ.

A técnica de identificação Line Fit está baseada na técnica de ajuste da FRF (método 1GdL)resultando na frequência natural, fator de perda (amortecimento estrutural), e constante modal. De

forma semelhante ao Circle Fit , efetuando-se uma escolha de intervalos para cada modo para determinar

os parâmetros modais, conforme descrito na Figura 6. Efetua-se a média dos parâmetros modais

determinados para todas as FRFs obtidas por ensaio. E a Tabela 1 resume as médias para os primeiros 20

modos de vibração obtidas por Line Fit .

Tabela 1 apresenta uma boa concordância dos resultados experimentais de frequência natural.

Estes resultados apresentam certa incerteza com 95% de confiança, ou seja, o dobro do desvio padrão -

2 ⋅ (). Ambos os métodos apresentam resultados de frequência natural bastantes consistentes. Já osresultados de amortecimento são por vezes erráticos e apresentam incertezas maiores em relação aos

valores médios. Estes resultados de amortecimento devem ser levados em conta com bastante cautela. E

existe a necessidade de realizar a identificação com outras técnicas experimentais de processamento de

sinais.

Avalia-se a consistência dos resultados obtidos pelas duas técnicas experimentais. Para tanto,

aplica-se a avaliação de MAC conforme Figura 7. Esta avaliação mostra uma ortogonalização dos modos

de vibração obtidos confirmando a consistência dos resultados obtidos.

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

Real part FRF

I m a g i n a r y p a r t F R F

Nyquist curve

285 290 295 300 305 310-10

-5

0

5

10

Frequency [Hz]

G a i n

[ d B ]

Bode curve

generated FRF

measured FRF

300 302 304 306 308

290

292

294

296

298

After resonance

Loss factor evolution

B e f o r e r e s o n a n c e

0.017

0.018

0.019

0.02

0.021

0.022



FIGURA 6 - IDENTIFICAÇÃO DE PARÂMETROS MODAIS ATRAVÉS DA TÉCNICA

DE L INE FIT PARA UMA FRF NA PROXIMIDADE DA FREQUÊNCIA DE 299HZ.

Tabela 1 - Síntese dos índices de desempenho das pás.

ModoCircleFit Method LineFit Method

Frequência (Hz) Amortecimento (%) Frequência (Hz) Amortecimento (%)

1 5.2350.092 20.7402.32 5.1660.145 21.846.10

2 17.300.34 7.9908.892 17.260.38 5.4528.681

3 35.370.96 4.5672.555 35.380.702 4.0991.935

4 56.340.72 3.8573.496 56.001.23 2.2244.294

5 63.180.44 2.2830.251 63.160.58 2.0170.472

6 93.300.84 1.9750.615 93.662.83 1.8142.040

7 --- --- 98.035.54 1.5833.145

8 130.43.0 2.7654.524 130.52.1 1.8187.571

9 180.86.2 1.4860.709 179.01.9 1.8321.934

10 --- --- 186.05.2 0.7852.242

11 232.43.0 1.5592.057 233.33.5 0.9450.909

12 252.12.7 1.3210.689 252.71.9 1.3820.792

13 298.82.0 1.4751.941 298.52.7 0.9461.339

14 331.34.1 1.7781.763 331.54.4 0.8810.899

15 356.12.5 1.2790.935 355.92.9 1.0600.295

16 398.43.6 1.4031.540 396.96.0 1.3481.653

17 465.83.7 1.3990.806 466.66.0 1.3470.694

18 557.84.5 1.2520.463 557.97.5 1.1670.519

19 585.95.0 1.6081.670 586.611.9 0.7962.227

20 627.44.8 1.2830.860 628.05.6 1.1580.6909

290 295 300 305 310-8

-6

-4

-2

0

2

4

Frequency [Hz]

G a i n

[ d B ]

Bode curve

generated FRF

measured FRF

-1 -0.5 0 0.5 1-1.5

-1

-0.5

0

0.5

Real part FRF

I m a g i n a r y p a r t F R F

Nyquist curve

8.6 8.8 9 9.2 9.4

x 104

-5

0

5x 10

5

D e l t a

Real part

8.6 8.8 9 9.2 9.4

x 104

-2

0

2

4x 10

5Imaginary part

8.6 8.8 9 9.2 9.4

x 104

-2

0

2

S l o p e

Square Frequency [Hz2]

8.6 8.8 9 9.2 9.4

x 104

-2

-1

0

1

Square Frequency [Hz2]



FIGURA 7 – MAC DAS TÉCNICAS C IRCLE FIT E LINE FIT

5

Conclusão

O presente trabalho relata resumidamente sobre o procedimento experimental de analise modal

clássica de pá eólica do aerogerador ENERSUD Gerar 246. Efetua-se a identificação de parâmetros modais

de frequência natural e amortecimento estrutural por duas técnicas SISO (1GdL). O resultados mostraram-

se consistentes. E os resultados obtidos pelas duas técnicas de identificação mostraram-se próximas entre

si para a frequência natural. Já o amortecimento estrutural necessita de avaliação experimental mais

apurada por técnica adaptada para tal.

O procedimento experimental demostrou ainda a capacidade laboratorial do Grupo de Dinâmica

de Sistemas (UnB-FT/EnM/GDS) em realizar o conjunto de atividades experimentais.

7 Bibliografia

Ewins, D. J. (2000). Modal testing: theory, practice, and application. Baldock: Hertfordshire: Research

Studies Press.

Kouroussis, G., Fekih, L. B., Conti, C., & Verlinden, O. (2012). EasyMod: A MatLab/SciLab toolbox for

teaching modal analysis. 19th International Congress on Sound and Vibration, Vilnius (Lithuania).

Proceedings of the 19th International Congress on Sound and Vibration, Vilnius (Lithuania).

Vilnius (Lithuania): ICSV.

2 4 6 8 10 12 14 16 18

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Mode shapes of analysis 2

M o d e s h a p e s o f a n a l y s i s 1

MAC matrix

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1



8 Anexo 1 – Resultados do Ensaio Pá Livre-Livre de 24_02_2016

Ponto A1 Ponto A2

Ponto B1 Ponto B2

Ponto C1 Ponto C2



Ponto D1 Ponto D2

Ponto E1 Ponto E2

Ponto F1 Ponto F2



Ponto G1 Ponto G2

Ponto H1 Ponto H2

Ponto I1 Ponto I2



Ponto J1 Ponto J2

Ponto K1 Ponto K2

Ponto L1 Ponto L2



Ponto M1 Ponto M2

Ponto N1 Ponto Q1

Ponto P1 Ponto Q1

Documents

Relatório Parcial 17-04-2014 - Análise Modal de Pá Eólica