projeto mecÂnico de um aerogerador de eixo...
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PROJETO MECÂNICO DE UM AEROGERADOR DE EIXO VERTICAL PARA GERAÇÃO DE ENERGIA EM AMBIENTES URBANOS
Bernardo Bettocchi Dittz Arosa Ferreira
RIO DE JANEIRO MARÇO DE 2018
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.sc
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
PROJETO MECÂNICO DE UM AEROGERADOR DE EIXO VERTICAL PARA GERAÇÃO DE ENERGIA EM AMBIENTES URBANOS
Bernardo Bettocchi Dittz Arosa Ferreira
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc. (Orientador)
________________________________________________ Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, D.Sc
________________________________________________ Prof. Jules Ghislain Slama D.Sc
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
MARÇO DE 2018
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Ferreira, Bernardo Bettocchi Dittz Arosa
Projeto Mecânico de um Aerogerador de Eixo Vertical para
Geração de Energia em Ambientes Urbanos/ Bernardo Bettocchi
Dittz Arosa Ferreira. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica,
2018.
IX, 53 p.: il., 29,7 cm.
Orientador Armando Carlos de Pina Filho
Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica / Curso de
Engenharia Mecânica, 2018.
Referências bibliográficas: p. 50-52.
1. Energia Eólica. 2. Turbina Eólica. 3. Projeto Mecânico. 4.
Desenho mecânico. 5. Conclusão. I. Pina Filho, Armando Carlos
de. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Engenharia Mecânica. III. Projeto Mecânica de um Aerogerador de
Eixo Vertical para Geração de Energia em Ambientes Urbanos.
iv
Agradecimentos
Gostaria de agradecer inicialmente aos meus pais Maria Alice Bettocchi Dittz
Ferreira e Antonio José Arosa Ferreira por sempre prover e me orientarem em todos os
momentos da minha vida. Agradeço também aos meus irmãos Fabio e Lilian que sempre
estiveram ao meu lado.
A minha namorada Patricia Winter por me dar apoio e me ajudar a manter o foco
na etapa final desta jornada.
Aos amigos de longa data Marco Cossich, Gustavo Assad, Tiago Lamarão, Carol
Dittz por estarem ao meu lado nos piores e melhores momentos.
Aos grandes amigos com os quais fiz o curso, sem eles não estaria aqui. João
Capello, Daniel Fogacci, André Martins, Danilo Araújo, Daniel Vercillo, Filippo Corrêa,
Kauê Ramai.
Ao professor Armando pela orientação durante o projeto e ao professor Fernando
Pereira Duda pela oportunidade e orientação durante minha iniciação cientifica no
Laboratório de Mecânica dos sólidos.
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Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
PROJETO MECÂNICO DE UM AEROGERADOR DE EIXO VERTICAL PARA
GERAÇÃO DE ENERGIA EM AMBIENTES URBANOS
Bernardo Bettocchi Dittz Arosa Ferreira
Março 2018
Orientador: Armando Carlos de Pina Filho
Curso: Engenharia Mecânica
O trabalho apresenta o projeto e dimensionamento de uma turbina eólica com a
finalidade de abastecimento de energia para residência em região litorânea. A orientação
do eixo da turbina eólica se dá devido ao regime turbulento do fluxo de ar e variação da
direção do vento em ambiente urbano. O trabalho contém uma pequena introdução sobre
energia eólica seguida de uma apresentação dos tipos de turbinas eólicas e as condições
de operação na cidade escolhida. Com os dados é possível fazer o dimensionamento e o
desenho de alguns das principais peças que compõe o aerogerador através dos
conhecimentos adquiridos durante o curso de engenharia mecânica. Em conclusão o
projeto atende as exigências iniciais com os coeficientes de segurança necessários.
Palavras-chave: energia eólica, aerogerador, Darrieus H, projeto mecânico.
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Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Mechanical Engineer.
MECHANICAL DESIGN OF A VERTICAL AXIS WIND TURBINE FOR ENERGY GENERATION IN URBAN AREAS
Bernardo Bettocchi Dittz Arosa Ferreira
March 2018
Advisor: Armando Carlos de Pina Filho
Course: Mechanical Engineering
The paper presents the design of a vertical axis wind turbine with the intent to generate electrical energy for residence in a coastal city. The axis orientation of wind turbine is due to the turbulent airflow and direction variation in urban zone. The paper contains a small introduction about wind energy followed by an explanation about the types of wind turbines and the conditions of operation in chosen city. With the date is possible to design a draw some of the main parts that compose the wind turbine with the knowledge acquired during the mechanical engineering course. In the conclusion the project, attend the initial requirements with the necessary security coefficients.
Keywords: Wind energy, Wind turbine, Darrieus H, mechanical project.
vii
SUMÁRIO
1. Introdução ................................................................................................................. 1
1.1 Motivação e objetivo ........................................................................................ 1
1.2 História da energia eólica ................................................................................. 1
1.3 Energia eólica no mundo .................................................................................. 3
1.4 Energia eólica no Brasil .................................................................................... 5
2 Turbinas Eólicas ....................................................................................................... 9
2.1 Rotores de eixo Horizontal ............................................................................... 9
2.2 Rotores de eixo vertical .................................................................................. 10
3 Projeto e dimensionamento .................................................................................... 11
3.1 Escolha da Turbina ......................................................................................... 11
3.2 Considerações iniciais para o dimensionamento ............................................ 13
3.3 Perfil das pás ................................................................................................... 15
3.4 Forças Aerodinâmicas .................................................................................... 19
3.5 Resistencia da Pá ............................................................................................ 24
3.6 Eixo do Rotor ................................................................................................. 29
3.7 Braço e Suporte .............................................................................................. 43
3.8 Gerador Elétrico ............................................................................................. 45
3.9 Caixa de Engrenagens Multiplicadora ............................................................ 46
4 Desenho técnico da turbina..................................................................................... 47
5 Conclusão e sugestões a possíveis trabalhos futuros .............................................. 48
6 Referências ............................................................................................................. 49
7 Anexo ..................................................................................................................... 51
viii
Lista de Figuras
Figura 1 - Diferentes aplicações da energia eólica [2] ..................................................... 2
Figura 2 - Gerador eólico de Chars F. Brush, USA, 1987/88. [2] .................................... 3
Figura 3 - Evolução do potencial eólica instalado e seu fator de capacidade [2]. ............ 4
Figura 4 - Produção de energia eólica no mundo. [2] ...................................................... 4
Figura 5 - Geração, expansão e potência instalada por país. [2] ...................................... 5
Figura 6 - Preço de Eólicas e Custo de produção de energia. [2] ..................................... 7
Figura 7 - Evolução da potência instalada no Brasil e o fator de capacidade. [2] ............ 7
Figura 8 - Comparativo entre os estados produtores de energia eólica. [2] ..................... 8
Figura 9 - Comparativo previsto para oferta e demanda entre 2016 e 2026 para região
Nordeste do Brasil [2]. ..................................................................................................... 8
Figura 10 - Turbina eólica de rotor de eixo horizontal. [18] ............................................ 9
Figura 11 - Turbina de Savonius de duas conchas. [4] ................................................... 11
Figura 12 - Diagrama de escoamento de ar em uma turbina de Savonius de duas
conchas. [19] ................................................................................................................... 12
Figura 13 - Tubrina Darrieus de duas pás. [4] ................................................................ 12
Figura 14 - Turbina Darrieus H de três pás. [4].............................................................. 13
Figura 15 - Mapa do potencial eólico da região Nordeste [1] ........................................ 14
Figura 16 - Gráfico de Cp x TSR [4]. ............................................................................. 17
Figura 17 - Perfil do aerofólio NACA 0018 [12] ........................................................... 18
Figura 18 - Variação de � em função de � [11]. .......................................................... 19
Figura 19 - Decomposição da velocidade de escoamento relativa [4]. .......................... 20
Figura 20 - Variação do angulo de ataque em função do angulo azimutal para diferentes
valores de � [14]. ............................................................................................................ 21
Figura 21 - Pá sob ação das forças de sustentação e arrasto. [4] .................................... 23
Figura 22 - Diagrama de carga normal distribuída em um modelo de viga engastada na
direção normal ao movimento. ....................................................................................... 25
Figura 23 - Diagrama de esforços cortantes na direção normal ao movimento em viga
engastada devido a carga distribuída. ............................................................................. 25
Figura 24 - Diagrama de momento fletor na direção normal ao movimento em viga
engastada devido a ação de forças distribuídas. ............................................................. 25
Figura 25- Diagrama de carga tangencial distribuída em um modelo de viga engastada
na direção tangencial ao movimento. ............................................................................. 26
ix
Figura 26 - Diagrama de esforços cortantes na direção tangencial ao movimento em
viga engastada devido a carga distribuída. ..................................................................... 26
Figura 27 - Diagrama de momento fletor na direção tangencial ao movimento em viga
engastada devido a ação de forças distribuídas. ............................................................. 26
Figura 28. - Representação da pá da turbina eólica ........................................................ 28
Figura 29- Diagrama dos esforços atuantes sobre o eixo do motor. .............................. 29
Figura 30 - Distribuição de forças normais ao redor do eixo y do rotor. ....................... 32
Figura 31 - Modelo de forças atuantes no Plano xy do eixo do rotor............................. 33
Figura 32 - Diagrama do esforço cortante no plano xy do eixo do rotor. ...................... 33
Figura 33 - Diagrama do momento fletor atuante no plano xy do eixo do rotor. ........... 34
Figura 34 - Modelo de forças atuantes no Plano yz do eixo do rotor. ............................ 34
Figura 35 - Diagrama do esforço cortante no plano yz do eixo do rotor. ....................... 34
Figura 36 -Diagrama do momento fletor atuante no plano yz do eixo do rotor. ............ 35
Figura 37- Diagrama de esforço torsor atuante no eixo. ................................................ 36
Figura 38 - Dimensões de uma chaveta quadrada. [21] ................................................. 40
Figura 39 - Flange sobreposto [23]................................................................................. 41
Figura 40 - Dimensões do flange de 150 lbs. ................................................................. 42
Figura 41 - Braço de suporte da pá. ................................................................................ 43
Figura 42 - Suporte L utilizado para fixação da pá ao braço. ......................................... 44
Figura 43 - Suporte de fixação do braço......................................................................... 44
Figura 44 - Dados sobre o motor WEG W22 IR2. [20] ................................................. 45
1
1. Introdução
1.1 Motivação e objetivo
O desenvolvimento da humanidade sempre foi dependente da sua capacidade de
gerar energia. Assim como a civilização se desenvolveu as fontes de energia também
sofreram o mesmo processo. As maiores mudanças estiveram ligadas a alteração da fonte
energética, as principais sendo: hidráulica, carvão, petróleo, gás natural, nuclear, eólica.
Considerando o efeito prejudicial ao meio ambiente proveniente de algumas
dessas fontes nasce o incentivo e a pesquisa em uma solução mais sustentável. Prioriza-
se então o estudo para a descoberta e aprimoramento de novas fontes de energia limpa.
O Brasil há alguns anos sofre com a escassez de chuvas em determinadas épocas
do ano, fato que ficou evidente na crise energética de 2001. Em consequência das secas
hoje o Nordeste brasileiro vive hoje a dependência de um novo meio de produção de
energia.
Este trabalho terá como foco de estudo a energia eólica e o projeto de uma turbina
vertical de pequeno porte para aplicação urbana. O aerogerador projetado tem como
função auxiliar o abastecimento de energia elétrica de uma residência situada na região
litorânea no norte do Ceará.
1.2 História da energia eólica
O vento – atmosfera em movimento – tem sua origem na associação entre a
energia solar e a rotação da planetária. Todos os planetas envoltos por gases em nosso
sistema solar demonstram a existência de distintas formas de circulação atmosférica e
apresentam ventos em suas superfícies. Trata-se de um mecanismo solar-planetário
permanente; sua duração é mensurável na escala de bilhões de anos. O vento é
considerado fonte renovável. [1]
A utilização dos ventos como fontes de energia data desde a idade média onde o
homem passa a usar as forças aerodinâmicas de sustentação para o auxílio nas
navegações. Ao longo dos anos a tecnologia foi desenvolvida e aplicada em outros ramos.
2
No século XIV moinhos de ventos já começam a ser disseminados pela Europa,
sobre tudo na Holanda. Os moinhos capitavam a energia do vento e a utilizam na moagem
de grãos.
No século XIX os moinhos começam a entrar em desuso devido ao surgimento da
máquina a vapor. Sua decadência, porém, é temporária pois com o fim da escravidão nos
Estados Unidos os cata-ventos de múltiplas pás passam a ser utilizados para
bombeamento de água principalmente em áreas rurais. Sua produção passa a ser
industrial.
Figura 1 - Diferentes aplicações da energia eólica [2]
A produção de eletricidade através de energia eólica se inicia no final do século
XIX. Pequenos geradores eram utilizados para o abastecimento de baterias permitindo
acesso de áreas rurais a energia elétrica. A figura 1 retrata as diferentes utilizações da
energia eólica ao longo da história.
A figura 2 apresenta o aerogerador projetado e construído por Charles F. Brush
em Cleveland, Ohio, Estados Unidos. O aerogerador era constituído de um rotor de 17 m
de diâmetro com 144 laminas sustentadas por uma torre de 18m de altura. O aerogerador
era capaz de produzir uma potência de 18 kW.
3
Figura 2 - Gerador eólico de Chars F. Brush, USA, 1987/88. [2]
Na década de 1950 com a expansão das redes de eletrificação as turbinas começam
a deixar de ser produzidas.
Na década de 1970 até 1980 a energia eólica entra novamente em pauta devido ao
primeiro choque do petróleo. O alto preço do combustível fóssil leva países importadores
a investirem em pesquisas para criação de turbinas com maior capacidade de produção.
1.3 Energia eólica no mundo
As informações acerca da capacidade de geração de eletricidade por energia eólica
no mundo se tornam documentadas a partir do ano de 1980 com um montante de 7 MW.
Entre os anos de 2000 e 2016 é observado uma taxa de crescimento médio de 23,8% ao
ano. Em 2016 tem-se um acréscimo de 50,2 GW de potência eólica correspondendo a
23% da expansão mundial de todas as fontes de energia. [2]. O aumento da potência
instalada está representado na figura 3:
4
Figura 3 - Evolução do potencial eólica instalado e seu fator de capacidade [2].
Na figura 3 também é observado o aumento do Fator de capacidade que
corresponde a proporção entre a produção efetiva da usina em um período de tempo e sua
capacidade total máxima. Essa evolução se dá em razão dos avanços tecnológicos na
produção de materiais e no porte das turbinas permitindo melhor aproveitamento da
energia cedida pelo vento. [2].
A participação da geração eólica na geração total mundial, que era praticamente
nula em 1980, em 2016 já atingia 3,9% (2,7% em 2013). A China apresenta a maior
participação na geração eólica mundial de 2016, de 25,1%, superando os Estados Unidos,
o 1º em 2015. A Dinamarca foi pioneira na geração eólica (100% em 1980). [2]. A figura
4 apresenta o ranking dos principais países produtores de eletricidade através de energia
eólica.
Figura 4 - Produção de energia eólica no mundo. [2]
5
Dos 20 maiores geradores de eólica, a Dinamarca apresenta a maior proporção de
geração eólica em relação à sua geração total, de expressivos 42,5%, seguida de Portugal
(22,1%), e Espanha (18%). [2].
O Brasil, em 2016, foi o 7º país em geração (10º em 2014 e 15º em 2013), o 5º na
expansão de potência (2,5 GW), e o 1º em fator de capacidade (41,6%), este último
superando o mundial em 68% [2] conforme mostra a figura 5.
Figura 5 - Geração, expansão e potência instalada por país. [2]
1.4 Energia eólica no Brasil
O potencial eólico brasileiro para aproveitamento energético tem sido objeto de
estudos e inventários desde os anos 1970 e o seu histórico revela o lento, mas progressivo
descortinamento de um potencial energético natural de relevante magnitude existente no
país. [1]
Em 1976-77 é iniciado um estudo pelo Instituto de Atividades Especiais de coleta
de dados anemométricos em aeroportos brasileiros. São documentados ventos com
6
velocidades médias anuais variando entre 4 m/s e 10 m/s viabilizando a operação de
máquinas de pequeno porte para geração de eletricidade para sistemas isolados. O litoral
Nordeste e o arquipélago de Fernando de Noronha se tornam os principais candidatos a
receberem o projeto devido as altas velocidades do vento. Em 1981 turbinas de 2 kW e
5kW começam a ser desenvolvidas e testadas no Rio Grande do Norte em conjunto com
o DFVLR-IBK, órgão de pesquisa aeroespacial da Alemanha.
Na década de 1990 iniciaram-se medições especificas para inventários de
potencial eólico em torres de maior altura (≥20 m) instaladas em locais especificamente
selecionados em diversas regiões do Brasil: litoral do Ceará e estados da Bahia, Minas
Gerais e Paraná. [1]
Em 1996 um estudo da CHESF é publicado apresentando o potencial eólico do
litoral do Ceará. Simulações computacionais para turbinas de 500 kW e 600 kW
indicaram a possibilidade de geração de 9,55 TWh/ano com ocupação de 10% do litoral
do Ceará. [1]
Em 2004 o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas (Proinfa) contrata 54
usinas capazes de gerar uma potência de 1,4 GW. A energia eólica era a mais cara e a
menos desenvolvida quando comparada a energia hidrelétrica e a térmica de biomassa.
No ano de 2006 começam a entrar em funcionamento os primeiros geradores
contratados no Proinfa.
O catalisador da forte expansão eólica foi o primeiro leilão exclusivo em 2009 [2].
O leilão deu início a fase competitiva onde o parque mais barato e eficiente seria o
ganhador. Em 2011 esses geradores entram em operação. O custo da energia eólica
começa a diminuir atingindo seu menor valor em 2012, contudo com a desvalorização do
real este valor volta a subir em 2015 como demonstrado na figura 6.
7
Figura 6 - Preço de Eólicas e Custo de produção de energia. [2]
O fator de capacidade do Brasil, assim como no mundo, aumenta com o passar
dos anos devido aos sucessivos avanços tecnológicos implementados nas turbinas eólicas.
A figura 7 apresenta um gráfico onde é possível observar o salto na potência instalada no
decorrer dos anos e o fator de capacidade.
Figura 7 - Evolução da potência instalada no Brasil e o fator de capacidade. [2]
O Rio Grande do Norte apresenta a maior proporção na geração de energia eólica
no ano de 2016 conforme apresentado na figura 8. O estado com maior fator de
capacidade neste ano é o Piauí.
8
Figura 8 - Comparativo entre os estados produtores de energia eólica. [2]
Até 13/10/2017 estavam contratados 17,7 GW de potência eólica, dos quais, 11,5
GW em operação, 3,4 GW em construção e 2,8 GW aptos para iniciar a construção [2].
A meta prevista no Plano Decenal de Expansão de Energia – PDE2026, é de 25,8 GW de
potência tornando necessária a contratação de 8,1 GW. A região nordeste deverá possuir
90% da capacidade eólica do país.
A geração de eletricidade através energia eólica no Nordeste vai corresponder a
46% de sua geração total em 2026. Esse valor somado à geração de eletricidade por
energia solar tornará o Nordeste uma região exportadora de energia elétrica.
Figura 9 - Comparativo previsto para oferta e demanda entre 2016 e 2026 para região Nordeste do
Brasil [2].
9
2 Turbinas Eólicas
2.1 Rotores de eixo Horizontal
As turbinas de rotores de eixo horizontal, como a apresentada na figura 10, são as
mais comuns. Grande parte dos países utilizam essas turbinas por possuírem maior porte
e serem capaz de gerar mais energia que as turbinas de rotores de eixo vertical.
Figura 10 - Turbina eólica de rotor de eixo horizontal. [18]
Ao obstruir o movimento do vento um corpo deve sofrer ação de forças
perpendiculares ao escoamento do ar. Essas forças são as forças de sustentação (lift) e
forças de arrasto (drag) que são responsáveis por mover as pás da turbina. As forças são
proporcionais a velocidade relativa do vento. A força de sustentação por sua vez sofre
influência da geometria do corpo altera o ângulo de ataque formado pela velocidade
relativa do vento e o eixo do corpo.
Rotores que operam predominantemente sob ação de forças de sustentação geram
mais energia que rotores que operam sob ação de forças de arrasto para uma mesma
velocidade de vento.
Os rotores de eixo horizontal que operam majoritariamente por forças de
sustentação necessitam estar sempre perpendiculares ao escoamento do vento. Os rotores
podem ser compostos de uma pá com contrapeso, duas pás, três pás ou múltiplas pás. As
pás podem possuir diversas formas diferentes e podem ser fabricadas diferentes materiais.
10
Os materiais de mais comum fabricação são madeira, alumínio ou fibra de vidro
reforçada.
A posição do rotor em relação a torre vai influenciar nos esforços sofridos pelo
aerogerador. Quando o disco varrido pelas pás está na posição a jusante do vento (down
wind) a “sombra” da torre provoca vibrações nas pás. Por sua vez quando disco varrido
pelas pás se encontra na posição a montante do vento (up wind) a sombra das pás provoca
esforços vibratórios na torre. Os sistemas a montantes necessitam de mecanismos de
orientação do rotor com o fluxo de vento enquanto nos sistemas a jusante do vento a
orientação realiza-se automaticamente [3].
2.2 Rotores de eixo vertical
São turbinas eólicas cujo eixo de rotação está orientado na mesma direção da torre
que suporta a estrutura do rotor, ou seja, numa direção que é perpendicular à direção do
movimento do vento [4]. Assim como nos rotores de eixo horizontal a turbina de eixo
vertical também é movida por forças de sustentação (lift) e arrasto (drag).
Este tipo de turbina eólica é de comum utilização em grandes centros urbanos
devido sua facilidade de instalação, proximidade do solo, pouco espaço ocupado, melhor
comportamento em condições de turbulência. Por possuir menor dimensão esta turbina
deve ter uma capacidade menor de geração de energia elétrica.
Neste modelo as correntes de ar batem lateralmente sobre as lâminas possuindo
velocidade de arranque mais baixa, o que é vantajoso em condições de pouco vento,
aproveitando o potencial eólico mesmo que a direção do vento não seja constante e haja
formação de turbilhões, caso que acontece com frequência em áreas com edifícios,
arvores e outros obstáculos [5].
Uma grande vantagem que este modelo possui em relação a turbina de eixo
horizontal é o fato de não necessitar sistemas de orientação ativos para captar energia dos
ventos. A ausência desses mecanismos torna o projeto menos complexo e, portanto,
menos custoso ao consumidor. Outro ponto a ser ressaltado é a presença do sistema de
geração de elétrica e trem de potência ao nível do solo facilitando a manutenção do
equipamento.
As turbinas de eixo vertical possuem diversas configurações com números
distintos de pás tais como Savonius, Darrieus e Darrieus H.
11
3 Projeto e dimensionamento
3.1 Escolha da Turbina
Este trabalho tem como finalidade desenvolver uma turbina de aplicação em
centros urbanos capaz de abastecer uma residência. Para a realização deste projeto foi
escolhida a turbina eólica com rotor de eixo vertical.
Como visto na seção anterior há 3 tipos de turbinas eólicas de eixo vertical, são
elas:
• Savonius
Turbina de eixo vertical composta por duas ou mais conchas no lugar de pás. Esta
turbina aproveita a força de resistência aerodinâmica como força motriz para o seu motor.
Sua configuração é apresentada na figura 11.
Figura 11 - Turbina de Savonius de duas conchas. [4]
A turbina de Savonius possui um desenho mais simples que facilita a sua
fabricação. Os esforços sofridos por esta turbina são geralmente menos intensos e
apresenta uma estrutura mais rígida. Contudo a turbina de Savonius apresenta o menor
rendimento energético das três opções apresentadas, seu rendimento fica em torno de 15%
a tornando pouco atrativa para produção de eletricidade [4].
12
A figura 12 demonstra um diagrama de funcionamento de uma turbina de
Savonius de duas conchas. Seu modo de funcionamento se dá devido a diferença entre as
forças de arrasto das superfícies côncava e convexa.
Figura 12 - Diagrama de escoamento de ar em uma turbina de Savonius de duas conchas. [19]
• Darrieus
As turbinas de Darrieus, figura 13, por sua vez apresentam duas ou três pás
curvadas. O perfil normalmente adotado para as pás desta turbina é o NACA 00xx. A
força motriz responsável pelo giro do rotor é a força de sustentação aerodinâmica sofrida
pelas pás.
Figura 13 - Turbina Darrieus de duas pás. [4]
13
O rendimento energético desta configuração é superior ao rendimento da turbina
de Savonius operando em torno de 30%. Seu perfil mais complexo dificulta a sua
fabricação tornando-a uma turbina mais cara.
• Darrieus H
A turbina de Darrieus H é uma turbina eólica de eixo vertical cujas pás estão retas
em contraste com as pás curvas da turbina Darrieus original. Este tipo de turbina apresenta
um rendimento energético ligeiramente superior ao da turbina de Darrieus de pás curvas
uma vez que tem uma área de passagem de escoamento maior. No entanto os esforços a
que estas turbinas estão sujeitas são mais elevados. Visando a maior potência extraída o
aerogerador Darrieus H foi o escolhido para o projeto. Um modelo de turbina de Darrieus
H é apresentado na figura 14.
Figura 14 - Turbina Darrieus H de três pás. [4]
3.2 Considerações iniciais para o dimensionamento
Para dimensionar o aerogerador alguns dados iniciais devem ser levados em
consideração. Para este projeto a localização é um fato de suma importância. Por ser a
região de maior potencial eólico o Nordeste brasileiro foi a região escolhida para
implementação da turbina. O potencial eólico da região pode ser observado na figura 15.
14
Figura 15 - Mapa do potencial eólico da região Nordeste [1]
O projeto destina-se a abastecer uma residência na cidade de Jericoacoara situada
no litoral norte do Ceará. Trata-se de uma cidade pequena de 17 mil habitantes cuja
principal fonte de renda da população é o turismo. A aquisição de uma turbina eólica
reduziria os gastos com energia do consumidor.
Jericoacoara inaugurou em janeiro de 2017 seu primeiro aeroporto com o intuito
de aumentar o número de turistas da região. Com o maior número de turistas a demanda
por energia elétrica cresce e devido à crise energética no Nordeste aliada a distância de
15
Jericoacoara dos grandes centros a cidade se torna um local com potencial para
implementação de turbinas eólicas.
Para viabilizar o projeto foi necessário obter a velocidade média do vento ao longo
do ano. A partir dos dados coletados pelo site www.windfider.com [7] obteve-se uma
velocidade média do vento de 6,5 m/s.
De acordo com a Empresa de Pesquisa Energética (EPE) [8] o consumo
residencial mensal médio de energia elétrica da região nordeste no ano de 2016 foi de
123kWh.
3.3 Perfil das pás
Primeiro passo no dimensionamento do aerogerador é o dimensionamento das
pás. Por se tratar de um ambiente urbano as dimensões do aerogerador devem ser
limitadas. Os valores de diâmetro do rotor �� e o comprimento da pá � disponíveis para
o projeto são dados abaixo:
�� = 3 (1)
� = 3 (2)
A capacidade de potência extraída da turbina de Darrieus H é dada pela equação
(3).
�� � = ��. ����� (3)
Onde �� é o coeficiente de potência da turbina e ����� é a potência disponibilizada
pelo vento.
����� = 12 . �. �. �� (4)
Onde por sua vez � é a massa específica do ar, � é a velocidade do vento e � é a
área frontal do rotor dada por:
16
� = �� . � (5)
Devido a equação (3) só é possível alcançar a maior potência extraída com o maior
coeficiente de potência ��. Martens [13] estabeleceu em 2006 a seguinte relação para a
turbina de Darrieus H que satisfez esta condição.
�. �. ��� = 0,401 (6)
Onde � é o número de pás do rotor, � é a corda do perfil da pá, � é o fator
conhecido como Tip Speed Ratio (TSR) que representa a razão entre a velocidade na
ponta da pá e a velocidade do vento no ambiente e �� é o diâmetro do rotor.
Segundo Martes[13] só é possível alcançar a equação (6) através de um
coeficiente aerodinâmico de sustentação � definido por
� = 2. !. sin (&) (7)
Onde & denota o ângulo de ataque da pá formado entre os vetores de velocidade
de escoamento relativa � e a velocidade tangencial devido a rotação (.
A definição do valor de � é obtida através do gráfico apresentado na figura 16
definida por Carmo [4] através do método de Multiple Stream Tube. No gráfico leva-se
em consideração o fator de bloqueamento ()) que determina o grau de obstrução das pás
a passagem do escoamento de ar. O fator de bloqueamento segundo Carmo [4] é regido
pela equação (8).
) = �. ��� (8)
17
Figura 16 - Gráfico de Cp x TSR [4].
O valor máximo de �� atingido no gráfico é de 35% para � de 4,1 e um fator de
bloqueamento ) de 0,1.
Substituindo esses valores na equação (6) obtém-se o valor da corda do aerofólio
que compõe a pá.
�. �. ��� = 3. �. 4,13 = 0,401 (9)
Portanto,
� = 0,098 (10)
Verificando o fator de bloqueamento de acordo com a equação (8)
) = �. ��� = 3 . 0,0983
) = 0,098 (11)
18
O perfil escolhido para compor a pá do aerogerador foi o perfil NACA 0018 por
apresentar simetria. Sua espessura deve variar entre 12% e 18% lhe rendendo maior
resistência sem grandes efeitos na eficiência. A figura 19 apresenta o perfil NACA 0018
com a dimensão de corda calculada anteriormente e espessura de 15%.
Figura 17 - Perfil do aerofólio NACA 0018 [12]
O material escolhido para a fabricação da pá foi o Alumínio 6063-T1 devido a sua
alta resistência mecânica e alta resistência a corrosão combinadas com sua baixa massa
específica. Seu limite de resistência a tração ,-� é de 150 MPA e seu limite de resistência
ao escoamento ,. é 90MPa. Sua massa específica � é de 2700kg/m³ e modulo de
elasticidade / de 69GPa.
A potência extraída e a capacidade de potência disponível dadas pelas equações
(3) e (4) são, portanto:
����� = 12 . �. �. ��
����� = 12 . 1,2256 . (3 . 3) . 6,5�
����� = 1514,6 � (12)
�� � = ��. �����
�� � = 0,35 .1514,6 �
19
�� � = 530,1 � (13)
3.4 Forças Aerodinâmicas
Representado na figura 18 está a velocidade de escoamento relativa �. Por ser
produto de uma soma vetorial, a velocidade relativa não é constante ao longo da rotação
da pá variando de acordo com o ângulo azimutal (ângulo de posição) �.
Figura 18 - Variação de 2 em função de 3 [11].
O vetor W pode ser decomposto então em uma componente vertical e uma
componente horizontal conforme ilustrado na figura 19.
20
Figura 19 - Decomposição da velocidade de escoamento relativa [4].
A velocidade de escoamento relativa obedece, portanto, a seguinte relação:
� = 567. sin(�)² + (67. cos(�) + <. =)² (14)
Onde < é a rotação do aerogerador em RPS, = é o raio de rotação da pá e 67 é a
velocidade induzida de escoamento dada por:
67 = �. �. tan (&)sin(�) − tan(&) . cos (�) (15)
O valor do ângulo de ataque também é variável como pode ser observado na figura
18 e pode ser determinado pela equação (16)
& = ABCDE F 67. sin (�)67. cos(�) + <. =G (16)
Substituindo a equação (15) na equação (16) chegamos a uma relação para o
ângulo de ataque que depende apenas dos ângulos de posição e do Tip Speed Ratio.
& = ABCDE F− sin (�)cos(�) + �G (17)
21
O gráfico apresentado na figura 20 representa a equação (17). O gráfico contém
a variação de do ângulo de ataque em função do ângulo azimutal para diferentes valores
de �.
Figura 20 - Variação do angulo de ataque em função do angulo azimutal para diferentes valores de
H [14].
Para � = 4,1 os valores mínimo e máximo obtidos para o ângulo de ataque são
& = −15˚ e & = 15˚ com os ângulos de posição � = −110˚ e � = 250˚ respectivamente.
Substituindo o valor de & na equação (7) obtém-se o valor máximo atingido pelo
coeficiente de sustentação.
� = 2. !. sin(&) = 2. !. sin(15˚) = 1,63 (18)
Substituindo os valores de & e � na equação (15) para o cálculo de 67:
67 = �. �. tan(&)sin(�) − tan(&) . cos(�)
22
67 = (4,1). (6,1). tan (15)sin(250) − tan(15) . cos (250)
67 = −7,9 /L
(19)
O cálculo da rotação por sua vez é dado por pela equação 20:
( = �. �= (20)
( = (6,5). (4,1)1,5
( = 17,8 MBN/L (21)
Finalmente substituindo os ângulos de ataque e de posição da pá e resultados das
equações (19) e (20) na equação (14) obtém-se:
� = 567. sin(�)² + (67. cos(�) + (. =)²
� = 5(−7,9. sin 15)O + (−7,9. cos 15 + (17,8). (1,5))²
� = 34,4 /L
(22)
A partir da velocidade de escoamento relativo é possível o cálculo das forças
normal PQ e tangencial PR geradas pelo escoamento do ar sobre a pá. As forças estão
representadas na figura 21.
23
Figura 21 - Pá sob ação das forças de sustentação e arrasto. [4]
PR = 12 (� . sin & − �� . �SL&). �. �. �. �² (23)
PQ = 12 (� . cos & + �� . sin &)� . � . �. �² (24)
Onde �� é o coeficiente de arrasto obtido em função do perfil do aerofólio e do
número de Reynolds dado por:
=T = �. �ʋ = 6,5 . 0,0981,5. 10DV = 42382 (25)
Aplicando o valor de Reynols no software JavaFoil [16] foi obtido o seguinte
valor para o coeficiente de arrasto:
�� = 0,16 (26)
Substituindo estes valores nas equações (23) e (2)4 para o cálculo das forças
tangencial e normal ao movimento.
24
PR = 12 (� . sin & − ���SL&). �. �. �. �²
PR = 12 (1,63. sin 15 − 0,16. cos 15) . 1,225 . 0,098 . 3 . 34,4²
PR = 55,8 W
(27)
PQ = 12 (� . cos & + �� . sin &)� . � . �. �²
PQ = 12 (1,63 . cos 15 + 0,16 . sin 15)1,225 . 0,098 . 3 . 34,4²
PQ = 343,9 W (28)
3.5 Resistencia da Pá
Conforme apresentado na seção anterior a pá do aerogerador vai operar sob a ação
de forças de sustentação e forças de arrasto. Essas são as forças responsáveis pelo
movimento das pás do aerogerador.
Aplicando o modelo de mecânica dos sólidos de uma viga bi engastada à pá do
aerogerador é possível analisar os efeitos dos esforços cortantes 6�7� e 6�7X nas direções
radial, ou eixo x, e tangencial ao movimento da pá, ou eixo z, respectivamente. É possível
analisar também os momentos fletores Y�7� e Y�7X também nas direções radial, ao
movimento da pá.
O diagrama apresentado nas figuras 22, 23 e 24 apresentam os esforços cortantes
e momentos fletores na direção normal ao movimento da pá devido a componente normal
das forças aerodinâmicas.
25
Figura 22 - Diagrama de carga normal distribuída em um modelo de viga engastada na direção
normal ao movimento (plano xy).
Onde (E = PQ e os momentos YE e YO são utilizados para simular engaste.
Figura 23 - Diagrama de esforços cortantes na direção normal ao movimento em viga engastada
devido a carga distribuída.
Figura 24 - Diagrama de momento fletor no plano xy da viga engastada devido a ação de forças
distribuídas.
As figuras 25, 26 e 37 apresentam os diagramas força tangencial distribuída,
esforço cortante na direção tangencial ao movimento e momento fletor na direção
tangencial ao movimento.
26
Figura 25- Diagrama de carga tangencial distribuída em um modelo de viga engastada na direção
tangencial ao movimento (plano yz).
Onde (E = PR e os momentos YE e YO são utilizados para simular engaste.
Figura 26 - Diagrama de esforços cortantes na direção tangencial ao movimento em viga engastada
devido a carga distribuída.
Figura 27 - Diagrama de momento fletor no plano yz da viga engastada devido a ação de forças
distribuídas.
É possível observar que a região mais solicitada na pá são os apoios. Será
calculado, portanto, o fator de segurança estático para esta área.
As tensões associadas a estes esforços são dispostas nas equações a seguir.
27
). = Y�7X . Z[ + Y�7� . \[] (29)
^ . = 6 � (30)
^.] = 6]� (31)
Os valores calculados pelo software SolidWorks dos momentos de inércia e área
são [ = 627970.41 _, [] = 20998.97 _ e � = 1186,7 O. Substituindo os
valores nas equações 29, 30 e 31.
). = 15,69 . 10³ . 56,68627970,4 + 96,72 . 10³ . 8,3820999
). = 40,01 Y�B (32)
^ . = 257,931186,7 = 0,21 Y�B (33)
^.] = 41,851186,7 = 0,03 Y�B (34)
A partir dos valores calculados para as tensões é possível calcular a tensão
equivalente pelo método de Von Misses.
)�a = b12 [d) − ).eO + d). − )]eO + ()] − ) )O + 6(^ .O + ^ ]fO ^.]O )] (35)
Obtém-se:
28
)�a = b12 [(40,01)O + 3(0,21O + 0,03O)
)�a = 28,29 Y�B (36)
Com a tensão equivalente calcula-se o fator de segurança estático. A liga de
alumínio escolhida para a fabricação da pá possuí limite de escoamento ,. = 90 Y�B .
P,��� = ,.) = 9028,29 = 3,2 (37)
O fator de segurança estático é satisfatório garantindo o funcionamento da turbina
eólica.
Apesar dos esforços sobre as pás variarem de acordo com o ângulo azimutal � as
ligas de alumínio não possuem limites de resistência à fadiga, portanto o fator de
segurança a fadiga não será calculado.
A figura 28 apresenta o desenho da pá projetada no software SolidWorks.
Figura 28. - Representação da pá da turbina eólica
29
3.6 Eixo do Rotor
A ação de forças tangenciais sobre as pás do aerogerador são responsáveis pelo
aparecimento de um momento torsor no eixo do rotor. Seu valor é obtido através da
equação (38)
h = �. P� . ��2 (38)
Substituindo os valores de número de pás, força tangencial e diâmetro do rotor
obtém-se o momento torsor.
h = 3 . 55,8 . 32
h = 251,3 W. (39)
A figura 29 apresenta as cargas e o torque atuantes no eixo do rotor.
Figura 29- Diagrama dos esforços atuantes sobre o eixo do motor.
Onde P representa a soma dos pesos do rotor, peso dos apoios e peso das pás, T
representa o torque exercido pela força tangencial e PQ as forças normais provocadas pela
ação do vento. O material escolhido para a fabricação do eixo e dos braços de sustentação
das pás foi o Aço Inox 316 L. O aço possui resistência a corrosão o tornando ideal para
30
utilização em região litorânea. Seu limite de resistência a tração ,-� é de 515MPa e seu
limite de resistência ao escoamento ,. é 240Mpa. Sua massa específica � é de 8000kg/m³
e seu módulo de elasticidade / de 190GPa.
O comprimento i do eixo do rotor projetado é de 3m devido à altura das pás e as
dimensões limitadas da residência. A carga crítica para que ocorra a flambagem do eixo
é dada por:
�j��� = !O. /. [i² (40)
Onde [ é momento de inércia do eixo do rotor dado por:
[ = !. ��_64 (41)
Substituindo na equação (40):
�j��� = !O. 1903² . !. ��_64
(42)
A carga � aplicada no eixo é dada pelo peso do eixo ��� k
6Sl�� k = !. �TO. i4 (43)
��� k = ��� k . 6�� k . m (44)
Satisfazendo o critério para que não ocorra flambagem tem-se:
��� k < �j��� (45)
É possível, portanto determinar o diâmetro mínimo do eixo do rotor.
31
�. !. �T²4 . i. m < !²i² . /. !. �T464 (46)
�� > p16. �. m. i�/. !O qr,V
(47)
Substituindo os valores:
�� > p16 . 8000 . 9,8 . 3�190 . 10s. !O qr,V = 0,0023
(48)
O valor calculado garante que não aconteça a flambagem do eixo sob ação do
próprio peso. Por se tratar de um diâmetro muito pequeno foi decidido usar um valor
superior para uma maior margem de segurança. O valor escolhido para o diâmetro do eixo
do rotor foi de 3 polegadas ou 0,0762 metros.
Deve ser levado em consideração para o projeto os pesos das pás e dos braços que
suportam a pás. Através do software SolidWorks foi calculada a massa da pá e a massa
do braço de sustentação da pá.
��á = �á . m = 9,69 . 9.8 = 95,1 W (49)
�u�7çk = u�7çk . m = 8,79 . 9,8 = 86,2 W (50)
Calculando a massa do eixo e o seu peso:
�� k = �. 6Sl = 8000 !. 0,0762²4 . 3 = 109,4 wm (51)
��� k = �� k. m = 23,1 . 9,8 = 1072,6 W (52)
Verificando se o diâmetro de 0,0762 metros suporta as cargas somadas dos pesos
do braço, do eixo e da pá.
32
6. �u�7çk + ��� k + 3. ��á < �j��� (53)
6. 517,4 + 1072,6 + 285,2 < !O3O . 190.10s . !. 0,0508_
64
4462,2 W < 63923,5 W
O diâmetro escolhido portando é capaz de suportar as cargas de peso dos
componentes da turbina.
As forças normais PQ atuantes no eixo são resultantes dos somatórios das forças
normais atuantes em cada pá em uma dada configuração de ângulo de posição conforme
apresentado na figura 30. Para o cálculo da resultante será utilizado o pior cenário onde a
força resultante admite seu maior valor. Os ângulos utilizados e as forças referentes aos
ângulos são listados abaixo:
• � = 110°, & = 15°: PQE = 343,9 W (54)
• � = 230°, & = 12,5°: PQO = 286,1 W (55)
• � = 350°, & = 2°: PQ� = 51,6 W (56)
Figura 30 - Distribuição de forças normais ao redor do eixo y do rotor.
33
Por possuírem posições diferentes as forças são decompostas em torno dos eixos
Z e \.
PQ = −95 W (57)
PQ] = 250,7 W (58)
O modelo adotado para o cálculo dos esforços cortantes e momentos fletores
assim como os diagramas de esforço cortante e momento fletor causados pelas forças
normais atuantes no plano Zy do eixo são apresentados nas figuras 31, 32 e 33
respectivamente.
Figura 31 - Modelo de forças atuantes no Plano xy do eixo do rotor.
Figura 32 - Diagrama do esforço cortante no plano xy do eixo do rotor.
34
Figura 33 - Diagrama do momento fletor atuante no plano xy do eixo do rotor.
O modelo adotado para o cálculo dos esforços cortantes e momentos fletores
assim como os diagramas de esforço cortante e momento fletor causados pela ação das
forças normais no plano y\ do eixo são apresentados nas figuras 34, 35 e 36
respectivamente.
Figura 34 - Modelo de forças atuantes no Plano yz do eixo do rotor.
Figura 35 - Diagrama do esforço cortante no plano yz do eixo do rotor.
35
Figura 36 -Diagrama do momento fletor atuante no plano yz do eixo do rotor.
É observado que a região mais solicitada é a região do apoio. Deve-se, portanto,
fazer o cálculo do coeficiente de segurança para esta região.
) = Y . Z[z + Y] . \ [ + �� (59)
�� = 4. �k�7 . m!. ��² = 1,0 Y�B
(60)
Y . Z[] = 418760 . 0,03811654968 = 9,6 Y{B (61)
Y] . \[ = 1110000 . 0,03811654968 = 25,5 Y{B (62)
Portanto
) = 36,1 Y�B (63)
O cálculo da tensão de cisalhamento devido ao momento torsor é dado por:
^ = 16. h!. �T³ = 16 . 251,3! . 0,0762³ = 2,9 Y�B (64)
36
O diagrama de esforço torsor por sua vez é representado na figura 37
Figura 37- Diagrama de esforço torsor atuante no eixo.
Aplicando o critério de falha de Von Misses para as tensões calculadas
anteriormente obtém-se a tensão equivalente )�a.
)�a = |)O + 3^O = |36,1O + 3 . 2,9² = 36,5 Y�B (65)
Portanto o fator de segurança estático para o eixo do rotor é dado por:
P,��� = ,.)�a = 24036,5 = 6,6 (66)
O projeto apresenta fator de segurança estático adequado a operação.
37
Foi escolhido o critério de Soderberg para o cálculo de resistência a fadiga ao
cisalhamento.
)7,}� + )~,}. = 1�,}� (67)
Onde ^7 e ^~ são as amplitudes máxima e média dadas por:
)7 = )~á − )~íX2 (68)
)~ = )~á + )~íX2 (69)
Os cálculos dos esforços dinâmicos são dados por:
^7 = ^~á − ^~íX2 = ^~á − (−^~á )2 = ^~á (70)
^~ = ^~á + ^~íX2 = ^~á + (−^~á )2 = 0 (71)
)7 = )~á − )~íX2 = )~á − (−)~á )2 = )~á (72)
)~ = )~á + )~íX2 = )~á + (−)~á )2 = 0 (73)
Resultando em:
)7 = 36,5 Y�B (74)
O cálculo do limite de resistência a fadiga devido ao cisalhamento ,}� depende de
fatores adimensionais e do limite de resistência a fadiga do corpo de prova do projeto
como indicado na equação (75) [17].
38
,}� = w7. wu . wj . w� . w� . ,�� (75)
Onde:
• w7 – Fator de superfície.
• wu – Fator de tamanho.
• wj – Fator de confiabilidade.
• w� – Fator de temperatura.
• w� – Fator de concentração de tensão.
• ,��� – Limite de resistência a fadiga do corpo de prova.
O cálculo do fator de superfície envolve o acabamento da superfície. Os valores
dos componentes da equação do fator de acabamento da superfície são tabelados de
acordo com o tratamento dado. Para o cálculo do fator de superfície considera-se que o
eixo foi usinado.
w7 = B. ,-�u = 4,51 . 515Dr,O�V (76)
w7 = 0,86
Devido a torção o fator de tamanho wu leva em consideração a dimensão
característica N medida em milímetros e sua equação é dada por [17]:
wu = 1,51 . NDr,EV� (77)
wu = 1,51 . 76,2Dr,EV� = 0,765
O fator wj considera a confiabilidade do projeto e tem seu valor tabelado [17].
Quanto maior a confiabilidade menor o valor de w�. Para o projeto será utilizada uma
confiabilidade de 99,9%.
wj = 0,753 (78)
39
Para o cálculo de w� é considerada a temperatura de trabalho da turbina. Por operar
em temperatura ambiente média abaixo de 50˚C tem-se [17]:
w� = 1 (79)
O fator w� leva em consideração concentrações de tensões devido a variação na
geometria ou entalhes. Por não possuir concentrador de tensões este fator é dado por [17]:
w� = 1
(80)
O limite de resistência a fadiga do corpo de prova ,�� é calculado em função do
limite de resistência a tração ,-� do material utilizado no projeto. Por possuir um limite
de resistência a tração inferior a 1400Mpa a equação utilizada é [17]:
,�� = 0,5 . ,-� (81)
,�� = 0,5 . 515 = 257 Y�B
Substituindo os valores na equação (75) obtém-se o valor do limite de resistência
a fadiga devido ao cisalhamento ,}�.
,}� = w7. wu . wj . w� . w� . ,��
,}� = 0,86 . 0,765 . 0,753 . 1 . 1 . 257 = 127,3 Y�B (82)
Aplicando agora o valor do limite de resistência a fadiga devido ao cisalhamento
,}� no critério de Soderberg.
�,}� = ,}�)7 = 127,336,5 = 3,5 (83)
40
Uma vez definido o diâmetro do eixo é possível definir a chaveta que vai
transmitir o torque gerado pelo aerogerador para a caixa de engrenagens multiplicadora.
As dimensões da chaveta são selecionadas de acordo com o diâmetro do eixo. A
figura 38 apresenta as dimensões a serem determinadas para uma chaveta quadrada.
Figura 38 - Dimensões de uma chaveta quadrada. [21]
De acordo com a norma DIN 6885 [21] as dimensões de uma chaveta com
diâmetro de eixo de 76,2mm são:
� = 22 (84)
ℎ = 14 (85)
O comprimento da chaveta é calculado através do coeficiente de segurança global.
É adotado um coeficiente de segurança global 1,5.
^ = 2. hN . ℎ . i = 2 . 251,3 . 10�76,2 . 22 . i = 299,8i Y�B
(86)
) = 4 . hN . ℎ . i = 4 . 251,3 . 10�76,2 . 14 . i = 942,2i Y�B (87)
Pelo critério de Von Misses:
)~7 = |)O + 3 . ^� (88)
O coeficiente de segurança por sua vez é dado por:
41
�,� ku7 = ,.)~7 = 1,5 (89)
Substituindo os valores das equações (86), (87) e (88) na equação (89) obtém-se
o valor do comprimento da chaveta.
i = 6,7 (90)
O flange utilizado para a união entre o redutor e o eixo do rotor é um flange do
tipo sobreposto. O flange escolhido para a operação foi o flange de 2 polegadas da Val
Aço com capacidade de suporte de 150lbs de pressão interna. A figura (39) apresenta a
geometria do flange utilizado e a figura (40) apresenta as dimensões do flange de acordo
com a norma ANSI B 16,5.
Figura 39 - Flange sobreposto [23]
42
Figura 40 - Dimensões do flange de 150 lbs.
O material de fabricação é o Aço Carbono ASTM A – 126 Classe B com limite
de escoamento de 207Mpa . A verificação do fator de segurança para a compressão do
flange é feita pela equação (91).
P, = ,.) (91)
Onde
) = ��������7 (92)
43
�������7 = ! . (Y − �)O4 = !. (77,8 − 62)O
4 = 196²
(93)
Portanto
) = 4497 W235 ² = 19,8 Y�B
P, = 20719,8 = 10,4 (94)
O flange suporta o peso do aerogerador.
3.7 Braço e Suporte
O braço de sustentação da pá é o componente responsável pela transmissão dos
esforços gerados pela pá ao eixo do rotor. Para o projeto serão utilizados dois braços por
pá, em um total de seis braços, feitos do mesmo material do eixo, o Aço Inox 316 L. O
modelo do braço utilizado pode ser visto na figura 32.
Figura 41 - Braço de suporte da pá.
44
O braço projetado possui 1443mm de comprimento e 50mm de largura. Sua
espessura é de 15mm. A pá é fixada ao braço através de um suporte L mostrado na figura
42 através de parafusos.
Figura 42 - Suporte L utilizado para fixação da pá ao braço.
A fixação do braço ao eixo do rotor por sua vez é feita através de um suporte
soldado ao eixo do rotor. A figura 43 ilustra o suporte.
Figura 43 - Suporte de fixação do braço.
O material do suporte é o mesmo do eixo e a fixação aos braços é feita através de
parafusos M10 de cabeça sextavada autotravantes.
45
3.8 Gerador Elétrico
O aerogerador tem a necessidade de um gerador elétrico para fazer a conversão de
energia mecânica de rotação do eixo em energia elétrica. Como visto a demanda média
de uma residência é de 123kWh por mês.
Para atingir essa demanda pode ser utilizado o motor elétrico WEG W22 IR2
Trifásico produzido pela empresa WEG S.A. O motor possui capacidade de geração de
4,5kW suficiente para o abastecimento da demanda diária média de 4,1 kWh. Mais
informações do motor podem ser consultadas na figura 44 contentando a folha de dados
disponibilizada pela empresa que os fabrica.
Figura 44 - Dados sobre o motor WEG W22 IR2. [20]
46
O motor selecionado para a geração de energia elétrica necessita de um impulso
elétrico para sua partida, algo que pode ser feito por meio de sistemas tradicionais de
chaveamento. Contudo as especificações de tais sistemas elétricos não fazem parte do
escopo do projeto.
3.9 Caixa de Engrenagens Multiplicadora
A rotação alcançada pela turbina é dada por:
< = � . � 2 . ! . = . 60 (95)
Substituindo os valores:
< = 6,5 . 4,12 . !. 1,5 . 60 = 170 M{
(96)
Para atingir a rotação exigida pelo motor elétrico de 3450 rpm é utilizada uma
caixa de engrenagem multiplicadora. Para o projeto foi escolhido uma caixa de relação
de transmissão 20:1 modelo Chenta Ass-80 produzida pelo grupo Zanini Renk. Esta é
uma seleção inicial baseada nas necessidades do projeto que pode ser alterada
posteriormente com a realização de testes experimentais não contemplados no trabalho.
47
4 Desenho técnico da turbina Após os cálculos de projeto da turbina Darrieus H de 3 pás será apresentado o seu
desenho técnico mecânico em anexo ao final deste documento. Foi utilizado o software
SolidWorks para a realização do desenho seguindo as normas vigentes.
O desenho um conjunto mecânico do aerogerador projeto contendo uma lista dos
principais componentes com algumas medidas. São apresentadas também as vistas
frontal, superior, lateral e isométrica no primeiro diedro. Alguns componentes mecânicos
com caixa de engrenagem e motor elétrico são itens comerciais, a serem adquiridos dos
fabricantes citados ou similares, enquanto as demais peças devem ser fabricadas.
48
5 Conclusão e sugestões a possíveis trabalhos futuros Como visto no capítulo 1 a evolução e adaptação dos meios de produção
energética é de vital importância para o desenvolvimento da civilização. As crises
energéticas e a dependência de combustíveis poluentes geram a necessidade de um novo
meio de produção energia elétrica. A energia eólica se torna então objeto de estudo e
investimento se tornando uma das principais matrizes energéticas em muitos países
desenvolvidos. O Brasil, por sua vez, projeta investimentos para agregar a energia eólica
a um de seus principais meios de produção de energia.
O projeto teve como objetivo o dimensionamento e desenho de uma turbina eólica
capaz de atender a demanda residência na região litorânea do Nordeste Brasileiro. Para a
realização do projeto foram necessários conhecimentos de diversas cadeiras apresentadas
no curso de graduação engenharia mecânica como mecânica dos fluídos e elementos de
máquinas.
O resultado obtido para o projeto cumpriu os requisitos iniciais. Foi projetada uma
turbina eólica de 3 pás do tipo Darrieus H capaz de atender a demanda energética com as
condições de vento do local de operação, e com os coeficientes de segurança necessários.
Este projeto apresenta apenas o estudo da parte mecânica de um projeto de
aerogerador de eixo vertical. Um projeto futuro poderia ser adicionado a este de forma a
complementa-lo com o dimensionamento de um gerador Taylor made para esta função.
Outra proposta de complementação deste projeto é o dimensionamento e desenho
de uma caixa de engrenagens própria para o aerogerador. O projeto eliminaria a
necessidade de adaptações de caixas produzidas por terceiros.
O estudo complementar acerca do balanceamento da turbina eólica também é um
ponto a ser abordado em futuros trabalhos tanto para sua instalação, quanto para a sua
operação.
É de grande importância ampliar de pesquisa de aerogeradores para aplicações em
estabelecimentos de maior porte, como pousadas, em locais de difícil acesso à energia
elétrica ou restrições na geração de energia por outros meios.
Por fim a proposta final é a de um levantamento de custo de fabricação e instalação
da turbina eólica desenvolvida. O estudo de custo é de grande importância para
estabelecer se o projeto é economicamente viável ou não para o consumidor.
49
6 Referências [1] – DO AMARANTE, O.A.C., BROWER, M., ZACK, J., LEITE DE SÁ, A., Atlas do
Potencial Eólico Brasileiro, Brasília, 2001.
[2] – MME – Ministrério de Minas e Energia, Boletim de Energia Eólica no Brasil e no
Mundo, Departamento de Informações e Estudos Energéticos, Outubro 2017.
[3] – BRITO, S. S., Energia Eólica Princípios e Tecnologias, Centro de Referência para
Energia Solar e Eólica, Equipe CEPEL/CRESESB, 2008.
[4] – CARMO, D. M. F. G.M., Projeto de uma turbina eólica de eixo vertical em meio
urbano, dissertação de mestrado, Universidade Técnica de Lisboa, 2012.
[5] – COTIA, F. C. G., Uso de Tecnologias Fotovoltaicas e Aerogeradores para Geração
de Energia no Meio Urbano, dissertação de mestrado, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, RJ, Brasil, 2015.
[6] – VILAR ALÉ, J. A., Turbinas Eólicas de Eixo Vertical, Small Wind Turbines
Workshop, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS,
Brasil, 2012.
[7] – WindFinder, https://pt.windfinder.com/windstatistics/jericoacoara, último acesso:
Janeiro 2017
[8] – EPE – Empresa de Pesquisa Energética, Consumo Mensal de Energia Elétrica por
Classe (Regiões e Subsistemas) 2004-2017.
[9] – CLARKE, J., HANCOX, L., MACKENZIE, D., WHELAN, M. Desing of a
Vertical-Axis Wind Turbine, Terra Nova e Labrador, Canadá, 2004.
[10] – BATISTA, N. A. M. da C., Novo Aerogerador de Eixo Vertical Integrado numa
Rede Inteligente em Contexto Urbano, tese de doutorado, Universidade de Évora, Évora,
Portugal, 2013.
50
[11] – ROY, A., N., MOHIUDDIN, S., Design and Fabrication of a Vertical Axis
Economical Wind Mill, Anjiuman College of Engineering and Technology, Nagpu, India.
[12] – Airfoil Tools, http://airfoiltools.com/, acesso em Dezembro 2017.
[13] – MERTENS, S., Wind Energy in the Built Environment – Concentrator Effects of
Buildings, Multi-Science, 5 Wates Way, Brentwood, United Kingdom, 2006.
[14] – REGIS, G. L R., Análise Numérica e Experimental de Perfis Aerodinâmicos para
Aprimoramento do Projeto de Turbinas H-Darrieus, monografia de Graduação,
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brasil, 2013.
[16] – JavaFoil, Disponível em: http://www.mh-aerotools.de/airfoils/javafoil.htm, acesso
em Janeiro, 2017.
[17] – BUDYNAS, R. G. e NISBETT, J. K., Elementos de Máquinas de Shigley, Oitava
Edição, McGrawHill.
[18] – CRESESB – Centro de Referência para Energias Solar e Eólica Sérgio de S. Brito,
último acesso: Janeiro 2017.
[19] – ÔLO, C., D., V., Projecto de uma Turbina Savonius com Utilização de
Componentes em Fim-de-Vida, dissertação de mestrado, Faculdade de Ciências e
Tecnologia Universidade Nova de Lisboa, Lisboa, Portugal, Novembro 2012.
[20] – WEG S.A. - http://ecatalog.weg.net, acesso: Janeiro 2018.
[21] – CRUZ, A., J., R., S., Elementos de Máquina, Escola Técnica Estadual República,
Departamento de Mecânica.
[23] – Val Aço Acessórios Industriais,
http://www.valaco.com.br/produtos/conexoes_flg_so_ANSI_150.html
51
Anexo
3
00
0
30
00
3
Bernardo Bettocchi Dittz Arosa Ferreira
WEG W22 IR2
r
Prof. Armando Carlos de Pina Filho Projeto Final de Graduação UFRJ Unidade: mm
Data: 10/01/2018 Desenho 1 Escala 1:50
1º Diedro
Num. Peça Qtde.
1
2
Slip On 150 - NPS3
4
5
6
7
8
9
11
Componentes
Braço de Suporte da Pá
Eixo do Rotor
Pá
Suporte de União Pá Braço
Porca Sextavada M10
Gerador
Parafuso Sextavado M8
Suporte de União Braço Eixo
10
Parafuso Sextavado M10
12
13
14
15 4
2
1
1
10
8
1
4
60
2
6
60
1
6
3
Porca Sextavada M16
Caixa de Engranes Multiplicadora
Flange
Parafuso Sextavado M16
Porca Comercial
Parafuso Comerical
Parafuso Comerical
Parafuso Comerical
Porca Comercial
Conjunto Aerogerado
Porca Comercial
30
00
Escala 1:2Detalhe C
9
11
10
12
Escala 1:5Detalhe B
14
13
15
8
Aço 316L
Aço 316L
Aço 316L
6
Base
Aço 316L
7
Zanini Renk Chenta Ass-80
Escala 1:10
Liga de Alumínio 6015
Observação
1
2
Escala 1:20Detalhe A
3
Detalhe D
Parafuso Sextavado M20
45