projeto mecânico de um aerogerador horizontal tripá

i

PROJETO MECÂNICO DE UM AEROGERADOR HORIZONTAL TRIPÁ

Danilo Dias Araujo

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.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

AGOSTO DE 2015

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

DEM/POLITÉCNICA/UFRJ


Danilo Dias Araujo

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. Fernando Alves Rochinha, D.Sc.

________________________________________________

Prof. Daniel Alves Castello, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

AGOSTO DE 2015

iii

Araujo, Danilo Dias.

Projeto Mecânico de um Aerogerador Horizontal Tripá / Danilo

Dias Araujo – Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2015.

X, 44 p.: il.; 29,7 cm

Orientador: Armando Carlos de Pina Filho

Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica / Curso de

Engenharia Mecânica, 2015.

Referências Bibliográficas: p. 42-43.

1. Energia Eólica. 2. Aerogerador. 3. Projeto Mecânico. 4.

Desenho Técnico. I. Pina Filho, Armando Carlos de. II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,

Engenharia Mecânica. III. Projeto Mecânico de um Aerogerador

Horizontal Tripá.

iv

Esse trabalho é dedicado a todos aqueles que

contribuíram para minha formação de

engenheiro. De amigos a professores e família.

Muito obrigado.

v

AGRADECIMENTOS

Gostaria de começar agradecendo àqueles que nunca saíram do meu lado. Ao meu pai

que sempre me serviu como referência e ombro amigo. À minha mãe que, desde que me

sinto gente, sempre se fez presente em minha saúde e educação. À minha irmã que me

mostrou que amor ao que se faz e força de vontade fazem a diferença.

Cabe aqui um agradecimento especial à Rafaela, minha companheira de vida e de

estudos desde o ensino médio. Sua companhia não só me ajudou nas horas das provas,

como também foi um grande pilar para as grandes decisões da minha vida.

Com certeza os períodos seriam bem mais morosos se não fossem os grupos de amigos

que tive a oportunidade de criar ao longo desses anos. Deixo um parágrafo para vocês

que batalharam comigo durante esses anos universitários. André, Bernardo Gelelete,

Bernardo Ditz, Daniel, Daniel Fogacci, Filippo, Gabriel, João Capello, Marcus e

Vicente são alguns dos nomes que levarei para o resto da vida. Obrigado a todos vocês.

Vale a pena citar minha passagem na Fluxo Consultoria. Sem ela tenho certeza que não

teria desenvolvido a confiança no meu potencial. Foi uma grande experiência que

recomendo a todos.

Tenho certeza que cada uma dessas engrenagens foi fundamental para que eu

conseguisse passar pela graduação em engenharia mecânica. Acreditem que estou

fortemente agradecido pela inspiração que vocês me prestaram e prometo me dedicar ao

máximo para honrar toda essa experiência que tive.

vi

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.


Danilo Dias Araujo

Agosto/2015

Orientador: Armando Carlos de Pina Filho

Curso: Engenharia Mecânica

Com a migração da utilização de fontes tradicionais, geralmente baseadas em

combustíveis fósseis, para fontes alternativas de energia, cada vez mais há uma difusão

maior do uso de Aerogeradores. Esse trabalho tem como objetivo explorar essa área em

constante crescimento no Brasil, preparando seu leitor para futuros desafios. Para tal,

será elaborado o projeto mecânico de um aerogerador tripá, onde as condições iniciais

são predefinidas e baseadas em dados reais. Não serão abordados os componentes

elétricos e de controle. Como introdução é feita uma breve abordagem do histórico dos

aerogeradores no Brasil, seguido de uma explicação do seu funcionamento e principais

peças. O detalhamento e de cada uma dessas peças é apresentado no desenvolvimento.

Também será elaborada a documentação gráfica do mecanismo, para a visualização e

montagem dos elementos, sendo os desenhos anexados junto com os cálculos de

projeto. Espera-se com o presente projeto alcançar uma compreensão geral do

dimensionamento de um aerogerador, além de estabelecer bases para o entendimento de

seu funcionamento.

Palavras-chave: Energia Eólica, Aerogerador, Projeto Mecânico, Desenho Técnico.

vii

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Mechanical Engineer.

MECHANICAL PROJECT OF A THREE BLADE HORIZONTAL WIND TURBINE

Danilo Dias Araujo

August/2015

Advisor: Armando Carlos de Pina Filho

Course: Mechanical Engineering

With recent changes of the traditional energy sources, usually based on fossil fuel, to

more alternative sources, there has been a significant increase in the use of Wind

turbines. This work aims to explore this constant growing area in Brazil, preparing its

reader for its future challenges. This will be done by the elaboration of a Mechanical

Project of a three blade windmill, where there are predefined initial conditions and are

based on real life data. There will be no electrical or controlling approach. As

introductory chapter there will be the Brazilian historical approach of wind turbines,

followed by a brief explanation of its main components and how they interact. We go

further on detailing piece by piece on the following chapters. It will be done a

mechanical system drawing that enables the visualization and assembly of its

components, and this will be attached along with the calculations. Is expected to present

project to achieve a global understanding of the dimensioning of wind turbine and set

bases for a comprehension of how it works.

Keywords: Wind Power, Wind Turbine, Mechanical Project, Technical Design.

viii

SUMÁRIO

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

1.1 ORGANIZAÇÃO DO PROJETO .............................................................................. 1

1.2 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL ............................................................................. 2

1.3 AEROGERADORES .............................................................................................. 4

1.4 MOTIVAÇÃO ...................................................................................................... 6

1.5 OBJETIVO .......................................................................................................... 7

2 DESENVOLVIMENTO.......................................................................................... 8

2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ........................................................................ 8

2.2 DADOS DO PROJETO .......................................................................................... 9

2.2.1 Condições Iniciais ..................................................................................................... 9

2.2.2 Cálculo das Forças ................................................................................................. 10

2.2.3 Cálculo da Potência Transmitida ao eixo ............................................................... 12

2.3 DIMENSIONAMENTO DAS PEÇAS ...................................................................... 13

2.3.1 Aerofólio ................................................................................................................ 13

2.3.2 Bosso ...................................................................................................................... 17

2.3.3 Haste ...................................................................................................................... 18

2.3.4 Eixos ....................................................................................................................... 23

2.3.4.1 Eixo de Baixa ........................................................................................................................... 23

2.3.4.1.1 Seção 2 ............................................................................................................................... 24

2.3.4.1.2 Seção 1 e Seção 3 ............................................................................................................... 26

ix

2.3.5 Sistemas de Apoio .................................................................................................. 27

2.3.5.1 Rolamentos do Eixo de Baixa .................................................................................................. 27

2.3.5.2 Rolamento da Nacele .............................................................................................................. 31

2.3.6 Sistemas de Fixação ............................................................................................... 33

2.3.6.1 Chaveta do Eixo de Baixa ........................................................................................................ 33

2.3.7 Sistema de Transmissão e Gerador ....................................................................... 34

2.3.8 Nacele .................................................................................................................... 36

2.3.9 Torre ...................................................................................................................... 37

2.4 DOCUMENTAÇÃO GRÁFICA DO PROJETO ......................................................... 40

3 CONCLUSÃO........................................................................................................ 41

3.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS......................................................... 41

4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 43

5 LISTA DE ANEXOS ............................................................................................. 45

x

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 – CAPACIDADE DE ENERGIA EÓLICA INSTALADA NO BRASIL .............................. 3

FIGURA 2 – DISTRIBUIÇÃO DA CAPACIDADE ENERGÉTICA BRASILEIRA .............................. 3

FIGURA 3 – FUNCIONAMENTO DE UMA TURBINA DARRIEUS .............................................. 5

FIGURA 4 – FUNCIONAMENTO DE UMA TURBINA SAVONIUS .............................................. 5

FIGURA 5 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS ELEMENTOS MECÂNICOS DO

AEROGERADOR. ......................................................................................................... 8

FIGURA 6 – MAPA DE VENTOS NO BRASIL ......................................................................... 9

FIGURA 7 – GRÁFICOS DE CL/ALPHA E CD/ALPHA ........................................................... 10

FIGURA 8 – FORÇAS NO AEROGERADOR .......................................................................... 12

FIGURA 9 – GRÁFICO DE SOLIDEZ .................................................................................... 16

FIGURA 10 – ÁREA DAS PÁS ............................................................................................ 16

FIGURA 11 – BOSSO ......................................................................................................... 17

FIGURA 12 – HASTE ......................................................................................................... 18

FIGURA 13 – CARGA DISTRIBUIDA (PESO) NA HASTE E DIAGRAMAS DE ESFORÇO

SOLICITANTE ........................................................................................................... 20

FIGURA 14 – FORÇA ATUANDO EM UMA PÁ ..................................................................... 21

FIGURA 15 – FORÇA NORMAL NA HASTE E DIAGRAMAS DE ESFORÇO SOLICITANTE ....... 21

FIGURA 16 – FORÇAS E TORQUE ATUANTES NO EIXO ...................................................... 23

FIGURA 17 – SEÇÕES DO EIXO ......................................................................................... 23

FIGURA 18 – EFEITO PESO NA SEÇÃO 2 E DIAGRAMAS DE ESFORÇO SOLICITANTE .......... 25

FIGURA 19 – UNIDADES DE ROLAMENTO E EIXO DE BAIXA............................................. 27

FIGURA 20 – FORÇAS AXIAL E RADIAL NO ROLAMENTO DO EIXO DE BAIXA .................. 28

FIGURA 21 – UNIDADE DE ROLAMENTO SY 30 TF .......................................................... 28

FIGURA 22 – MANCAL DE ROLAMENTO S ........................................................................ 29

FIGURA 23 – ESQUEMA DO ROLAMENTO DA NACELE ...................................................... 31

FIGURA 24 – FORÇAS AXIAL E RADIAL NO ROLAMENTO DA NACELE .............................. 31

FIGURA 25 – ROLAMENTO SFK EXPLORER 61826-2RZ .................................................. 32

FIGURA 26 – VARIADOR DE VELOCIDADE E MOTOR ........................................................ 35

FIGURA 27 – FORÇAS ATUANTES NA TORRE .................................................................... 39

1

1 Introdução

O Brasil detém uma vasta costa litorânea, grande incidência solar e poucos acidentes

geográficos. Esses fatores contribuem fortemente para uma grande formação de ventos e

consequentemente um grande potencial para energia eólica. Mas como essa energia

cinética, contida no imenso volume de ar atmosférico, será transformada em energia

elétrica e dirigida ao consumidor final para que possa ser aproveitada? Além de uma

ampla rede elétrica, para que possa ocorrer a distribuição da energia gerada, é

fundamental que haja um aparelho que aproveite os ventos para gerar essa eletricidade.

Esse trabalho é feito pelo aerogerador. Ele consiste em um equipamento que utiliza a

energia cinética dos ventos, que por sua vez provém da energia solar que incide nos ares

atmosféricos, e faz a conversão em energia elétrica. Na seção 2.1 (Princípio de

Funcionamento) será explicado passo a passo o processo, mas basicamente ele consiste

no acoplamento do rotor, que é rotacionado pelas pás, a um gerador. Enquanto as pás

são responsáveis por captar a energia dos ventos, é o gerador que realmente faz a

conversão.

1.1 Organização do Projeto

Na introdução é abordado como se situa a energia eólica no Brasil e também é

apresentado brevemente como se dá o funcionamento de um aerogerador, qual a sua

utilidade e quais os seus tipos. Por fim mostram-se como esses fatores contribuíram para

motivação do trabalho e seus objetivos.

No desenvolvimento é introduzido o princípio de funcionamento de um aerogerador,

seguido do dimensionamento de suas peças. Esse, por sua vez, é segmentado para cada

elemento. Os mesmos são apresentados de forma sequencial, partindo das hastes das pás

até a torre. Alguns elementos se apresentam mais de uma vez, em partes diferentes do

2

sistema, e dessa forma que foi feito o dimensionamento do elemento mais crítico. A

última seção do desenvolvimento apresenta a elaboração da parte gráfica do projeto.

Por fim, para finalizar é apresentada uma conclusão que abrange as experiências obtidas

durante a execução do projeto.

Em anexo os desenhos técnicos mecânicos e os cálculos para o dimensionamento das

peças.

1.2 Energia Eólica no Brasil

A busca por energias sustentáveis tem elevado fortemente a procura por geração de

energia eólica no século XXI. Logo no começo da década, após a crise energética

brasileira de 2001, surge o Programa Emergencial de Energia Eólica – PROEÓLICA,

conforme [1], como primeiro grande plano de incentivo governamental para aumentar a

segurança da matriz energética através da diversificação de suas fontes. Nele, ocorreria

a contratação, viabilizando assim a criação, de parques energéticos através de leilões

feitos pelos governos. Assim os empresários garantiriam a produção energética,

enquanto o governo garantiria seu consumo.

Apesar do relativo sucesso obtido com esse programa, foi somente em 2009 que outra

iniciativa governamental catapultou a utilização da energia eólica no Brasil. Segundo o

site [2] o LER (Leilão de Energia Reserva) ocorrido naquele ano foi o primeiro a ser

exclusivamente de fonte Eólica, o que não só mostrou a crescente importância dessa

energia como também sua alta demanda pelo mercado.

O sucesso do LER 2009 abriu portas para que outros leilões fossem abertos. Segundo a

Associação Brasileira de Energia Eólica, foram realizados mais dois leilões em 2010,

mais três em 2011 e mais um dezembro de 2012. Como resultado e representado na

Figura 1, a capacidade instalada no Brasil vem crescendo em ritmo acelerado desde

2009, com uma forte expansão em 2014 em diante. Vale a pena chamar atenção que as

previsões para os próximos anos são em função das contratações já realizadas nos

3

leilões regulados e no mercado livre, o que permite que caso sejam realizados mais

leilões os números cresçam mais ainda.

Figura 1 - Capacidade de energia eólica instalada no Brasil

Mesmo com uma forte expansão no mercado eólico, ainda há bastante espaço para

crescimento e investimento. Como exemplificado na Figura 2 a energia eólica só

representa 3,4% da matriz energética brasileira, sendo essa em sua maioria ainda

representada pela fonte Hidrelétrica.

Figura 2 - Distribuição da capacidade energética brasileira

4

Torna-se, assim, evidente o potencial do mercado de energia eólica no território

brasileiro. A vontade do governo de solucionar o problema da matriz energética,

somado a uma sede do mercado cada vez maior de se utilizar da cadeia de produção

desenvolvida no país, devido à obrigatoriedade da nacionalização da produção imposta

pelo governo, e o apelo de ser uma energia limpa, formam as bases para o crescimento

dessa fonte no país.

1.3 Aerogeradores

Como já afirmado anteriormente, os aerogeradores são os equipamentos responsáveis

por utilizar os ventos para gerar eletricidade. Esses aparelhos têm várias formas e

podem ser fortemente adaptados para as necessidades de seus usuários, tanto na

quantidade de energia gerada quanto ao impacto que causa no ambiente. Ainda assim,

sua função se mantem a mesma: converter energia cinética em energia elétrica.

No desenvolvimento do projeto será exemplificado como ocorre essa conversão e quais

os componentes responsáveis por ela. No entanto, visto a variedade de opções, vale a

pena mostrar quais os tipos de aerogeradores disponíveis no mercado: quanto ao rotor;

quanto ao tamanho; e quanto ao número de pás.

Tipo de Rotor:

o Rotor de eixo horizontal: são os mais comuns no mercado. Os

aerogeradores de eixo horizontal são movidos predominantemente por

forças de sustentação e, por isso, podem liberar mais potência do que os

rotores de eixo vertical. Utilizam-se de pás para captar a energia cinética

e apesar dos rotores com duas pás serem mais eficientes, os mesmos são

mais instáveis e propensos à turbulência, de forma que os rotores de 3

pás são mais comuns. Também é viável a utilização de multipás, que

costuma ter uso mais frequente em aerogeradores de pequeno porte para

bombeamento.

5

o Rotor de eixo vertical: Ao contrário dos horizontais, os rotores de eixo

vertical não são tão dependentes de sistemas de controle, pois sua

geometria é indiferente à direção que o vento é soprado. Dentre os

rotores de eixo vertical existem duas classificações. Os rotores do tipo

Darrieus funcionam a partir da Força de Sustentação criada pela ação dos

ventos nas pás, conforme indicado na Figura 3. Já os rotores do tipo

Savonius funcionam a partir da força de Arrasto, como demonstrado na

Figura 4.

Figura 3 – Funcionamento de uma turbina Darrieus

Figura 4 – Funcionamento de uma turbina Savonius

6

Como especificado anteriormente, há dois tipos de rotores para aerogeradores. Como

esse projeto será baseado em um rotor de eixo horizontal, serão especificados a seguir

mais características para esse aerogerador.

Tamanho:

o Porte residencial: são aerogeradores de pequeno porte, geralmente para

uso residencial próprio. Geram 30kw ou menos com até 13 m de

diâmetro e 37 m de altura.

o Porte médio: podem suprir um vilarejo. Geram de 30kw a 500kw e

chegam a atingir 50m de altura com 30m de diâmetro.

o Porte grande: São os maiores aerogeradores e são utilizados em parques

eólicos para a geração e comercialização de energia. Chegam a gerar até

8MW de energia elétrica, atingindo até 100 metros de altura.

Número de Pás

o O número de pás em um aerogerador pode variar bastante. Não há

nenhum tipo de impedimento mecânico que chegue a impossibilitar

alguma configuração. Porém, na prática, como um menor número de pás

leva a uma maior eficiência, a grande maioria dos projetos trabalha com

três pás.

1.4 Motivação

Considerando o potencial de crescimento da energia eólica no Brasil e o quão amplo

eram as opções de projetos mecânicos na área, optou-se pela construção de um

aerogerador comercial. Essa tecnologia aparentemente fundamental para o futuro

energético brasileiro se mostrou ideal para a aplicação de vários conceitos aprendidos,

especialmente aqueles associados à Engenharia Mecânica, área a qual se destina esse

trabalho de conclusão do curso de graduação.

7

1.5 Objetivo

Nesse trabalho será realizado o projeto mecânico de um aerogerador horizontal tripá.

Esse modelo é amplamente utilizado devido a sua capacidade de gerar uma grande

quantidade de energia com alta eficiência e um baixo custo. As condições iniciais de

projeto consideram um rotor de porte residencial, buscando-se a aplicação em centros

urbanos. É importante frisar que somente a parte mecânica será levada em consideração,

não sendo projetado o sistema de controle direcionador, elemento de maior importância

para aerogeradores de médio e grande porte.

8

2 Desenvolvimento

2.1 Princípio de Funcionamento

O princípio básico de funcionamento de um aerogerador horizontal está esquematizado

na Figura 5

Figura 5 - Princípio de funcionamento dos elementos mecânicos do aerogerador.

A força de sustentação criada pela movimentação dos ventos faz com que as pás se

movam e o rotor gire. Dessa forma o eixo de baixa rotação, que está acoplado ao rotor,

também gira. Vale a pena salientar que esse primeiro eixo compartilha o movimento

angular do rotor, tendo uma rotação baixa. É nesse eixo que é montado o sistema de

apoio, para garantir que as forças axiais e radiais não desgastem nem gerem

deformações excessivas. Em seguida, para que o gerador consiga operar é necessária a

instalação de um variador de velocidade. Esse irá aumentar a rotação e a transferirá para

outro eixo, que por sua vez é chamado de eixo de alta rotação. Esse último contém um

sistema de frenagem para evitar que uma RPM elevada chegue a danificar os

componentes, especialmente as pás. Por fim ocorre a conexão com o gerador, para que

possa haver a conversão da energia cinética em energia elétrica. Todo esse mecanismo é

sustentando pela torre, que por sua altura garante exposição a ventos mais velozes.

9

2.2 Dados do Projeto

2.2.1 Condições Iniciais

As condições iniciais definidas para o projeto são:

Onde:

Símbolo Nome Unidade

Velocidade de projeto m/s

Diâmetro de projeto m

Dessa forma será elaborado um aerogerador de pequeno porte, com capacidade operante

para áreas com uma velocidade de ventos relativamente alta. Ideal, por exemplo, para

uma instalação residencial na costa brasileira, conforme Figura 6:

Figura 6 – Mapa de ventos no Brasil

Fonte: http://www.electronica-pt.com

10

2.2.2 Cálculo das Forças

Com as informações que já foram estabelecidas é possível realizar o cálculo das forças

que atuam no sistema.

Força Normal e o Torque ao Plano Rotor

Para calcular a força normal ao plano rotor será utilizada a Teoria de Glauert, conforme

[3]. Primeiro é encontrado o número de Reynolds do escoamento ao qual o aerogerador

está exposto:

Onde:


Velocidade de Projeto m/s

Corda da Pá m

Viscosidade Cinemática m²/s

Com o Reynolds, selecionam-se os gráficos a partir de [4] apresentados na Figura 7,

para definir o coeficiente de sustentação e o coeficiente de arrasto.

Figura 7 – Gráficos de Cl/alpha e Cd/alpha

11

Com essas informações, pode-se calcular a Força normal e o Torque ao qual o aerofólio

está exposto:

⁄ ( )( )

⁄ ( )(

)

Onde:


Força Normal à Pá N

Torque Nm

Massa Específica do ar Kg/m³

Velocidade Relativa m/s

Corda da pá m

Coeficiente de Sustentação

Coeficiente de Arrasto

Raio do Aerogerador m

Raio do Bosso m

Ângulo de Escoamento Rad

Logo,

Conforme Figura 8:

12

Figura 8 – Forças no Aerogerador

2.2.3 Cálculo da Potência Transmitida ao eixo

Para o cálculo da potência será utilizado o coeficiente de Betz. Basicamente o

coeficiente estabelece uma porcentagem máxima de energia que pode ser retirada da

massa de ar que passa pelas pás do aerogerador.

Onde a quantidade máxima de energia disponível consiste em toda a energia cinética da

massa de ar que passa pela área molhada:

(

)

Onde:


Diâmetro de Projeto m

Área Molhada m²

Massa Específica do ar Kg/m³

Velocidade de Projeto m/s

Potência do Vento W

13

Assim, a quantidade máxima de energia que o aerogerador pode extrair do ambiente é:

Onde:


Potência do Vento W

Potência do Eixo de Baixa W

Coeficiente de Betz

Será assumido que essa potência máxima calculada é a potência transmitida pelo

aerogerador, de forma que não foram consideradas outras perdas ao longo do processo.

2.3 Dimensionamento das Peças

Agora que já se tem uma ideia geral do funcionamento de um aerogerador e as

condições iniciais do projeto estão definidas, nas próximas seções serão tratados os

dimensionamentos de cada peça do mecanismo, de forma separada.

2.3.1 Aerofólio

O dimensionamento mecânico do aerogerador se iniciará pela escolha do aerofólio. Não

à toa, esse componente sofre forte influência do ambiente que é um dos principais

responsáveis pela eficiência final do projeto.

Como primeiro passo, será determinado o modelo de aerofólio do projeto e seu ângulo

de ataque. Para isso foi utilizado o estudo [5] realizado pela universidade de Michigan

que, através de uma série de testes com aerofólios, determinou que a configuração que

exibe uma maior eficiência para um aerogerador tripá de pequeno porte é o modelo

NACA 4412 com um ângulo de ataque de 5°. Para dar maior resistência estrutural ao

elemento, será utilizado como material aço SAE 4340.

14

Outro importante critério a ser definido no projeto é a TSR. A Tip-speed Ratio é um

indicador que relaciona a velocidade da ponta da pá de um aerogerador e a velocidade

média do ar do ambiente.

Onde:


Tip Speed Ratio

Velocidade Angular s-1

Raio do Aerogerador m

Velocidade de projeto m/s

A Tip-speed Ratio é fundamental e tem forte influência na operação do mecanismo. Sua

atuação vai da eficiência do aerogerador até a quantidade de barulho que ele irá fazer. A

Tabela 1, retirada de [6], resume os efeitos e a importância da escolha desse critério

para o resultado final.

Tabela 1 - Características da Tip Speed Ratio

Tip Speed Ratio Baixo Alto

Valor TSR de um ou dois são

consideradas Baixas

TSR acima de dez são

consideradas altas

Utilização Moinhos e bombas de água Principalmente protótipos de uma

ou duas pás

Torque Aumenta Diminui

Eficiência Diminui significativamente

abaixo de cinco a

Aumenta insignificantemente

após o oito

Tensão centrífuga Aumenta Aumenta ao quadrado da

velocidade de rotação

Tensão

Aerodinâmica

Diminui Aumenta proporcionalmente a

velocidade de rotação

Solidez Aumenta, mais de 20 pás são

necessárias

Diminui significantemente

Perfil da Pá Larga Significantemente estreita

Aerodinâmica Simples Crítica

Barulho Aumenta significativamente Aumenta Significativamente

15

Para o projeto, foi escolhida uma TSR de 7. A escolha se baseou fortemente na tese [7].

Nela, o autor defende, através de simulações, que TSRs em torno de 6,75 são as que

apresentam os melhores resultados para aerogeradores de pequeno porte.

Com esse valor definido, pode-se calcular a velocidade angular do projeto.

Por fim, como último critério a ser definido para o dimensionamento da pá, tem-se a

solidez. Essa consiste na porcentagem de área que é ocupada pelas pás em relação ao

círculo formado por seu raio.

(

⁄ )

Onde:


Solidez

Área de uma única Pá m²


Em [4], identifica-se o gráfico de eficiência por solidez para cada tipo de aerogerador

(Figura 9). Considerando-se uma Tip Speed Ratio de 7, encontra-se então uma solidez

de 6%.

16

Figura 9 – Gráfico de Solidez

Com esse valor, pode-se calcular a área da pás (Figura 10).

(

⁄ )

Onde:


Solidez N/A


Figura 10 – Área das Pás

17

Como o tamanho do bosso é conhecido (extraído a partir de modelagem realizada no

SolidWorks), calcula-se a altura da pá.

Onde:


Diâmetro de Bosso m


Altura da Pá m

Com isso, pode-se calcular a largura (ou corda).

2.3.2 Bosso

Além das pás, o rotor também é composto pelo bosso (Figura 11). O bosso é uma

estrutura mecânica que faz a fixação das pás com o eixo de baixa rotação. Para a

composição desse material foi utilizado aço SAE 1020, principalmente devido a seu

baixo custo e boa usinabilidade.

Figura 11 – Bosso

18

O bosso é basicamente composto por dois cilindros. Um maior para fixação das pás e

outro menor para a fixação do eixo de baixa. A fixação das pás é feita através do

encaixe de suas hastes e foi utilizado um pino para garantir a fixação. Já a fixação do

eixo foi feita por uma chaveta, que será abordada na Seção 2.3.6.

Para garantir o cumprimento de sua funcionalidade, o bosso foi projetado com a maior

quantidade de rigidez que possa ser oferecida com a menor quantidade de material

possível.

2.3.3 Haste

A haste (Figura 12) é o elemento que faz a união entre a pá e o bosso. Ela consiste de

uma barra cilíndrica de aço SAE 4340 temperado e revenido a 315ºC que se inicia no

bosso e passa por todo o comprimento da pá. Seu comprimento consiste em:

Onde:


Comprimento da Pá m

Fator

Raio do Bosso m

Figura 12 – Haste

19

O “Fator” indica qual o comprimento da haste em relação ao bosso que deve entrar

nesse último para realizar a fixação, conforme [8].

Para a escolha do diâmetro, foi utilizado o SolidWorks para selecionar o maior valor

possível suportado pelo tamanho da pá:

Assim, pode ser calculado o volume da haste:

E com a massa específica, calcula-se a massa e o peso:

As forças que atuam no sistema foram calculadas na Seção 2.2.2, e com elas é possível

avaliar se os diâmetros definidos para a Haste são suficientes para o sistema. Para tal,

será feita a análise das duas principais forças atuantes nas Hastes: Peso e Sustentação.

Para o peso, serão considerados os pesos da Pá e da haste. As dimensões da haste são

conhecidas, de forma que seu peso é de fácil cálculo. Será utilizado o SolidWorks para

obtenção das dimensões, e como se sabe o material que compõe o elemento, pode-se

calcular o peso:

Onde:


Peso Aerofólio N

Peso Pá N

Peso Haste N

O que permite que seja calculada a carga distribuída na Haste:

20

Onde:


Carga Distribuída N/m

Comprimento da Haste m

Com isso, calcula-se o Momento Fletor Máximo e o Esforço Cortante Máximo para o

pior cenário possível, conforme Figura 13.

Figura 13 – Carga Distribuida (Peso) na Haste e Diagramas de Esforço Solicitante

21

Onde:


Momento Fletor Nm

Esforço Cortante N

Carga distribuída N/m

Comprimento da Haste m

Para a força de sustentação, são feitos cálculos similares, conforme Figuras 14 e 15.

Figura 14 – Força atuando em uma Pá

Figura 15 – Força Normal na Haste e Diagramas de Esforço Solicitante

22

⁄

⁄

Calcula-se a tensão normal e cisalhante usando-se as seguintes fórmulas:

Onde:


Tensão Normal MPa

Tensão Cisalhante MPa

Somando a tensão normal e cisalhante de ambos os casos, tem-se:

Com isso, a tensão de Von Mises é:

√

E o fator de segurança:

Dessa forma, as dimensões propostas para a Haste satisfazem as condições de operação

as quais ela estará submetida.

23

2.3.4 Eixos

Os eixos são as estruturas que transferem a energia cinética obtida pelas pás para o

variador de velocidade. Uma vez que o variador não pode ter esforços agindo sobre ele,

fica a cargo do eixo e seus rolamentos de atuarem como agentes neutralizadores de

qualquer força externa agindo sobre o sistema. No caso, as forças atuantes são a força

normal e o peso do sistema (Figura 16).

Figura 16 – Forças e Torque atuantes no Eixo

2.3.4.1 Eixo de Baixa

Como exemplificado, o eixo deve ser dimensionado de forma a resistir à ação das forças

de sustentação e peso. Os mancais de rolamento, que funcionam como sistema de apoio

para o eixo, serão tratados na Seção 2.3.5.

A Figura 17 apresenta as seções do eixo a serem dimensionadas. Como visto em [8] a

seção crítica do eixo de baixa rotação de um aerogerador é a 2. Logo, é natural que o

dimensionamento se inicie por essa seção.

Figura 17 – Seções do Eixo

24

2.3.4.1.1 Seção 2

Como o eixo está sob o efeito de um carregamento dinâmico, conforme visto em [9]

será utilizado Soderberg como critério de dimensionamento.

{

[(

)

(

)

]

⁄

}

⁄

Onde:


CS Coeficiente de Segurança

M Momento Fletor Nm

Torque Nm

Limite de Escoamento MPa

Limite de resistência à Fadiga MPa

Conforme estabelecido em [8], será utilizado o coeficiente de segurança como 2.

Também serão utilizadas as forças já calculadas na Seção 2.3.3.

É calculado o momento fletor a partir da fórmula a seguir, específica para estrutura do

presente projeto, que pode ser esquematizada conforme a Figura 18.

[ ( ) ]

Onde:


M Momento Fletor Nm

Peso N

Comprimento da Seção 1 M

25

Figura 18 - Efeito Peso na Seção 2 e Diagramas de Esforço Solicitante

No caso, tanto o peso do bosso quanto o peso das pás foram calculados a partir do

volume delas obtidos no Solidworks. Com isso, calcula-se o limite de resistência à

fadiga para vida infinita do material:

Onde os valores das constantes são retirados de [9] e:

Índice Nome Valor

Superfície 0,02

Tamanho 1,88

Carregamento 1

Temperatura 1

Confiabilidade 0,81

26

Assim,

E,

{

[(

)

(

)

]

⁄

}

⁄

{

[(

)

(

)

]

⁄

}

⁄

Esse é o valor mínimo que a seção deve ter. Arredonda-se para cima para encontrar o

valor que deve ser utilizado na busca de um rolamento:

Com isso, só falta definir a largura da seção 2, que terá o mesmo tamanho do mancal de

rolamento utilizado, conforme a seção 2.3.5.1. No caso,

45 mm

2.3.4.1.2 Seção 1 e Seção 3

A seção 1 terá o mesmo diâmetro da seção 2. Dessa forma, garante-se que a seção 1

resiste estruturalmente às forças que atuam nela, uma vez que a seção 2 sofre tensões

mais severas. Como especificado em [8], seu comprimento será 70% do comprimento

do bosso, valor extraído do SolidWorks. Assim:

A terceira e última seção terá cinco milímetros de diâmetro a mais que a seção dois e

seu comprimento, baseado em [8], será quatro vezes o comprimento da seção 1. Logo:

27

2.3.5 Sistemas de Apoio

2.3.5.1 Rolamentos do Eixo de Baixa

O sistema de apoio para o eixo de baixa velocidade será composto por dois mancais

idênticos (Figura 19). Esse sistema é fundamental para uma boa qualidade operacional e

vida útil do aerogerador. Ao neutralizar as tensões resultantes da atuação do peso e

empuxo no sistema, os rolamentos garantem que essas forças não sejam repassadas para

o variador de velocidade e, consequentemente, para o eixo de alta e motor.

Figura 19 – Unidades de Rolamento e Eixo de Baixa

Como já afirmado em Seção 2.3.4.1, o rolamento será fixado na segunda seção do eixo

e terá seu menor diâmetro correspondente ao mesmo dessa seção.

Para a montagem do sistema serão utilizados rolamentos rígidos de esferas de uma

carreira SKF. Tanto o fabricante quanto o tipo foram escolhidos devido à sua ampla

utilização no mercado, catálogo variado e fácil acesso. Além disso, os mancais desses

rolamentos serão desenhados de forma que fiquem acoplados juntos à base de ferro

fundido. Os cálculos para seleção dos rolamentos foram feitos utilizando-se do catálogo

da SKF e instruções do site do próprio fabricante.

As forças que atuam no sistema estão de acordo com a Figura 20.

28

Figura 20 – Forças Axial e Radial no Rolamento do Eixo de Baixa

Onde:


Força Axial N

Força Radial N

Os rolamentos utilizados serão rolamentos rígidos de uma carreira de esferas com

vedação de baixo atrito. Mais especificamente, será utilizada a unidade de rolamento SY

30 TF que inclui rolamento e mancal, facilitando a montagem e utilização pelo usuário,

conforme Figura 21.

Figura 21 – Unidade de Rolamento SY 30 TF

29

As unidades de rolamento são apropriados para o trabalho em ambientes difíceis e

aguentam cargas pesadas e altas temperaturas. Também permitem a relubrificação

através de bico graxeiro de simples acesso, facilitando a manutenção. Para o projeto,

serão utilizados mancais do tipo SY com furos alongados no pé para receber parafusos

de fixação, conforme Figura 22.

Figura 22 – Mancal de Rolamento S

Conforme Figura 21, as informações do rolamento são:

Onde:


Classificação de Carga Básica N

Classificação de Carga Dinâmica N

Assim, calcula-se:

⁄

Onde “e” foi calculado com auxílio da Tabela 2.

30

Tabela 2 – Fatores para rolamentos

⁄ e X Y

0,22 0,56 2

0,24 0,56 1,6

0,07 0,27 0,56 1,6

0,13 0,31 0,56 1,4

0,25 0,37 0,56 1,2

0,5 0,44 0,56 1

E verifica-se que:

( )

⁄

Logo, conforme recomendação do catálogo, como a força axial é alta, a mesma será

considerada no cálculo da vida do rolamento, ou seja:

Com isso, calcula-se:

E, assim, a vida do rolamento é:

Utiliza-se [9] para obtenção dos valores, onde:

Índice Valor

1

1,2

Ajuste para hora

Que se traduzem em:

31

2.3.5.2 Rolamento da Nacele

Para o rolamento da nacele (Figura 23), que faz a conexão da torre com toda a estrutura

suspensa, serão utilizadas as forças de acordo com a Figura 24.

Figura 23 – Esquema do Rolamento da Nacele

Figura 24 – Forças Axial e Radial no Rolamento da nacele

Onde:


Força Axial N

Força Radial N

Força Tangencial por pá N

Em comparação ao caso anterior da Seção 2.3.5.1, as forças são maiores, de forma que

será necessário um rolamento mais robusto, no caso o SKF 61826-2RZ, com as

características apresentadas na Figura 25.

32

Figura 25 - Rolamento SFK Explorer 61826-2RZ

Onde:


Classificação de Carga Básica N

Classificação de Carga Dinâmica N

Assim, calcula-se, com o auxílio da Tabela 2:

⁄

Verifica-se:

( )

⁄

Então, nesse caso também é necessário fazer o ajuste da força utilizada no cálculo da

vida do rolamento:

33

Com isso, calcula-se:

Sendo a vida do rolamento:

Onde:

Índice Valor

1

1,18

Ajuste para hora

Que se traduzem em:

2.3.6 Sistemas de Fixação

2.3.6.1 Chaveta do Eixo de Baixa

Para a fixação do cubo no eixo de baixa rotação será utilizada uma chaveta. A escolha

se deu pela chaveta ser um elemento mecânico simples, de fácil utilização e que garante

o acoplamento e não deslizamento, fundamentais em um eixo que transmite potência.

Para o aerogerador será utilizada uma chaveta plana de aço SAE 4340, fácil de

encontrar no mercado e de boa usinabilidade. O rasgo deve ser usinado no bosso e não

deve apresentar problemas no encaixe e construção final. Dessa forma, tem-se:

34

Como já definido, será a seção 1 que irá fazer o encaixe com o cubo. Tem-se que:

Assim, serão utilizadas notas de aula de Elementos de Máquina 1 para o

dimensionamento e posterior validação das chavetas. Com o diâmetro definido, tem-se:

Com isso, são calculadas a tensão de cisalhamento e tensão de compressão:

E também:

Logo, os coeficientes de segurança são:

⁄

⁄

2.3.7 Sistema de Transmissão e Gerador

O gerador tem a função de transformar a energia mecânica, que é obtida pela ação do

vento nas pás e transmitida para os eixos, em energia elétrica que será, posteriormente,

armazenada.

Para garantir uma melhor eficiência, ou seja, garantir que o máximo de energia

mecânica seja transferida em energia elétrica, é preciso encontrar um gerador que tenha

35

a potência nominal e o número de rotações por minuto similar ao que o eixo está

transferindo, ou seja:

Como, na configuração atual do projeto, a rotação por minuto do sistema está muito

discrepante em relação aos geradores comerciais de pequeno porte, será necessário um

sistema de transmissão que aumente o número de RPM.

Além disso, como medida de segurança, também é necessário um sistema de frenagem,

o qual garante que uma situação de ventos em velocidades extremas não leve o sistema

a uma condição limite que possa danificá-lo.

Por fim, também é preciso que seja definido um gerador.

Dessa forma, foi feita a escolha de um dos geradores com caixa multiplicadora dos

modelos GA 71, da Geremia Redutores (Figura 26). A escolha se deve ao fato do amplo

catálogo desse fabricante permitir a escolha de um gerador que já incluísse (conforme

Tabela 3) um multiplicador de velocidade, que permitisse adequar a rpm do projeto, e

um sistema de frenagem também embutido, que garantisse segurança ao não permitir o

aumento descontrolado das rotações. Além disso, os modelos GA são feitos de alumínio

e ferro fundido, e são ideais para equipamentos que dispõem de pouco espaço físico.

Figura 26 – Variador de Velocidade e Motor

36

Tabela 3 - Dados do Gerador com Caixa Multiplicadora

Com essas informações é possível calcular a potência final que será entregue pelo

gerador:

Onde:


Potência entregue pelo Gerador W

Potência do Eixo de Baixa W

Eficiência do Gerador

Assim, considerando que foi determinado na seção 2.2.3, tem-se:

2.3.8 Nacele

A nacele é a estrutura que funciona como compartimento para os eixos, mancais de

rolamento, sistema de transmissão, freio, gerador e outras partes mecânicas do

aerogerador.

A mesma pode ser dispensada em alguns aerogeradores de pequeno porte, porém,

visando aumentar o tempo de vida útil das estruturas mecânicas do sistema e diminuir a

necessidade de manutenção, é recomendada a utilização da nacele.

37

Para a estrutura será utilizada fibra de vidro ou de carbono. Ambos são de fácil

utilização pelo usuário, apresentando peso baixo, estrutura maleável e não têm custos

exorbitantes. Conforme [10], o formato da nacele deve levar em consideração o

envolvimento de todos os componentes e a facilidade de montagem, de forma que o

formato tem impacto reduzido na eficiência final do aerogerador.

2.3.9 Torre

Por fim, será feito o dimensionamento da torre, estrutura que sustentará todo o sistema

do aerogerador.

A torre é formada por tubos cilíndricos divididos em partes comerciais transportáveis

unidas por flanges. A base é fixada em fundação no solo, a qual não será abordada nesse

projeto.

Além disso, será considerado que o aerogerador será instalado em ambiente sem

nenhum obstáculo, com 10 m em relação ao chão e pelo menos um raio de 150 m.

Assim, será utilizada a recomendação da DWEA (Distributed Wind Energy Association)

de uma altura mínima de 19 metros sem considerar a área molhada, ou seja:

Onde:


Altura da Torre m

Será avaliada, primeiramente, a resistência da torre à flambagem. Para tal, será

considerada uma torre cilíndrica de aço SAE 1030 temperado e revenido a banho de

água a 205ºC, com as seguintes características:

38

Uma vez definida a geometria da peça, calcula-se seu momento de inércia:

(

)

Onde:


Momento de Inércia kgm²

Diâmetro Externo da Torre m

Diâmetro Interno da Torre m

Com os valores já estabelecidos calcula-se a carga crítica de flambagem. Para tal, será

necessário saber a “Constante para o tipo de extremidade”, que é retirada de [9].

Onde:


Carga Crítica de Flambagem N

Módulo de Elasticidade Pa

Momento de Inércia kgm²

Constante para o Tipo de Extremidade

Altura da Torre m

39

Com a ajuda do SolidWorks é estabelecido o peso dos componentes que serão

sustentados pela torre, conforme Figura 27.

Figura 27 – Forças Atuantes na Torre

Dessa forma é possível calcular o coeficiente de segurança do sistema:

Uma vez que os esforços verticais foram analisados, serão feitos os cálculos para os

esforços horizontais. Similar ao cálculo realizado nas hastes, primeiro é estabelecido o

momento fletor máximo e o esforço fletor máximo, que são similares ao do caso

apresentado na Figura 15.

E calculam-se as tensões normais e cisalhantes:

(

)

⁄

40

(

)

⁄

Para definir a tensão máxima será utilizado o critério de Máxima Energia de Distorção

(MED):

√

E o coeficiente de segurança será:

2.4 Documentação Gráfica do Projeto

Uma vez que foram feitos todos os cálculos das peças e sua modelagem, é necessário

que sejam feitas as apresentações das peças por meio de documentação gráfica. As

mesmas serão elaboradas seguindo as recomendações de [11] e obedecendo às Normas

Técnicas vigentes no país. Essa representação será feita através da elaboração de um

desenho técnico do Conjunto Mecânico do aerogerador, onde as principais dimensões e

peças estarão indicadas.

Os desenhos foram elaborados com a utilização do programa SolidWorks e se

encontram em anexo no final deste documento.

41

3 Conclusão

Ao longo do processo de execução do projeto foi atingido o objetivo inicial de

dimensionar um aerogerador tripá com as condições iniciais que foram apresentadas.

Para tal, foram usados ensinamentos das disciplinas relacionadas a projetos de

máquinas, especialmente “Elementos de Máquinas I e II” e “Desenho Técnico

Mecânico”, somado com o conhecimento adquirido ao longo do curso de Engenharia

Mecânica.

O Aerogerador resultante foi projetado para utilizar materiais acessíveis e fáceis de

trabalhar. Além disso, a construção do mesmo é de baixa complexibilidade e com

condições iniciais que permitem a aplicabilidade em boa parte da região nordeste do

Brasil. Dessa forma, ao apresentar uma abordagem do dimensionamento de

aerogeradores, espera-se que o projeto tenha contribuído para a difusão da utilização

desse meio de energia que é acessível a todos e é uma alternativa às fontes tradicionais.

Até 2005 a Alemanha liderava o ranking dos países em produção de energia eólica,

sendo ultrapassada em 2008 pelos EUA, e desde 2010 a China é o maior produtor

mundial de energia eólica. O Brasil ocupa a décima quinta colocação mundial, com o

maior potencial eólico instalado da América Latina. Logo o presente projeto busca

também colaborar, de certa forma, com o desenvolvimento crescente da produção de

energia eólica no país.

3.1 Sugestões para Trabalhos Futuros

O projeto engloba somente a parte mecânica do sistema de um aerogerador. Dessa

forma, acredita-se que a adição de conteúdo relacionado à parte elétrica seria de grande

contribuição para o projeto. Assim, não só o projeto ficaria mais completo como

viabilizaria ainda mais a difusão da utilização desse tipo de equipamento para o público

em geral.

42

Ainda nessa linha, outra sugestão interessante seria a elaboração de um programa de

computador que automatizasse a criação de um aerogerador. O usuário colocaria as

informações iniciais no programa e teria como resultado as dimensões finais para cada

peça exemplificadas nesse trabalho. Vale salientar a necessidade de utilização de peças

comerciais, para que o usuário tenha acesso às mesmas. É importante notar que esse

programa será apenas uma ferramenta de suporte ao projeto, e outras análises e decisões

deverão ser tomadas pelo engenheiro projetista.

Para complementar a análise mecânica do aerogerador poderia ser apresentado um

estudo da estabilidade dinâmica, sobre a influência de vibrações no sistema, bem como

uma análise de custos, para avaliar a ordem de grandeza do investimento e retorno de

capital.

43

4 Referências Bibliográficas

[1] Portal Eólica, “Portal Eólica,” [Online]. Disponível em:

http://www.portalabeeolica.org.br/index.php/nosso-setor.html. [Acesso em 2

Agosto 2015].

[2] Empresa de Pesquisa Energética, “Empresa de Pesquisa Energética,” 2009.

[Online]. Disponível em:

http://www.epe.gov.br/imprensa/PressReleases/20091214_1.pdf. [Acesso em 2

Agosto 2015].

[3] E. R. R. GOMES DA SILVA, “Projeto de uma Turbina Eólica de Eixo

Horizontal,” Rio de Janeiro, 2014.

[4] E. HAU, Wind Turbines - Fundamentals, Technologies, Application, Economics,

3ª ed., Munique: Springer, 2012.

[5] J. SPRAGUE, S. HUFF, K. SOLOMON e M. WAGGY, “Michigan University -

Research Groups,” 2012. [Online]. Disponível em:

http://www.researchgroups.msu.edu/system/files/content/DevelopmentofSmallWi

ndTurbineBlades.pdf. [Acesso em 20 05 2015].

[6] P. J. SHUBEL e R. J. CROSSLEY, “Wind Turbine Blade Design,” Energies, p.

25, 2012.

[7] N. BRUMIOUL, Evaluation of aerodynamic criteria in the design of a small wind

turbine with the lifting model, Lisboa, 2010.

44

[8] F. D. MARCO FILHO, Projeto Preliminar de Aerogeradores, Rio de Janeiro,

1989.

[9] R. G. BUDYNAS e J. K. NISBETT, Elementos de Máquinas de Shigley, 8ª ed.,

McGrawHill, 2011.

[10] Windy Nation, “http://www.windynation.com/,” Windy Nation, [Online].

Disponível em: http://www.windynation.com/. [Acesso em 02 Outubro 2015].

[11] A. C. de PINA FILHO, Apostilha de Desenho Técnico para Engenharia

Mecânica, Rio de Janeiro: Escola Politécnica, 2011.

45

5 Lista de Anexos

Anexo I – Desenhos Técnicos Mecânicos

Anexo II – Cálculos

A

ESCALA 1:100

20,

65

R1,5

1,05

DETALHE AESCALA 1:5

Danilo Dias Araujo

Escala 1:50

Unidade: mProjeto Final de Graduação

Data: 02/08/15

Prof: Armando Carlos de Pina Filho

1º Diedro

UFRJ

Desenho1

Conjunto Aerogerador

C

C

1

3 42 5 6 7 8 9 10 11 12

16

1718

15

14 131920

22

Torre - Seção Superior16 1

1 Rolamento SKF 61826-2RZ15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

21

1

2

3

1

4

4

1

1

1

1

2

1

2

1

1

3

3

Porca Sextavada M10

Aerofólio

Haste

Bosso

Chaveta 7x8x20

Unidade de RolamentoSY

Eixo de Baixa

Flange

Chaveta 7x8x40

Variador de Velocidade

Flange Motor-Variador

Motor

Parafuso Sextavado M10x40

Bico

17 Parafuso Sextavado M12x458

8 Porca Sextavada M218

19 Estrutura de Suporte1

1 Nacelle20

Num. Qnt. Espeficificação

21 Parafuso Sextavado M10x3016

16 Porca Sextavado M1022

Aço SAE 4340 46x1350x230

Elemento Comercial

Aço SAE 1030 6351x200x200

Elemento Comercial

Elemento Comercial

Elemento Comercial

Elemento Comercial

Fibra de Vidro 160x315x315

Elemento Comercial

Elemento Comercial

Elemento Comercial

Elemento Comercial

Aço SAE 4340 7x8x40

Aço SAE 1020 70x40x40

Aço SAE 4340 398x35x35

Elemento Comercial

Aço SAE 4340 7x8x20

Aço SAE 1020 60x300x300

Aço SAE 1470x70x70

Elemento Comercial

Material e Dimensões

Aço SAE 4340 520x294x200

Fibra de Vidro 880x270x280

Danilo Dias Araujo

Escala 1:4

Unidade: mmProjeto Final de Graduação

Data: 02/08/15Conjunto Aerogerador

Prof: Armando Carlos de Pina Filho

1º Diedro

UFRJ

Desenho 2

Lista de Peças

DADOSDiametro do rotor 3 mAltura da Torre 12 mVelocidade de Projeto 8 m/sNúmero de Pás 3Pi 3,14 Massa esp do ar 1,23 kg/m³Viscosidade cinemática do ar 1,50E-05 m/s²Gravidade 9,81 m/s²

PÁÁrea Molhada 7,07

TSR 7Velocidade Angular 37,33 1/s

Solidez 0,06Área da Pá 0,28 m²Altura da pá 1,35 mLargura da pá (Corda) 0,21 m

Velocidade relativa 56,57 m/sÂngulo de escoamento Φ 0,14 rad

HASTEDiâmetro da Haste 0,021 mComprimento da Haste 1,47 mMassa Específica da Haste 7.850 kg/m³Resistência a Tração 1.720.000.000,00 PaResistência ao Escoamento 1.590.000.000,00 PaVolume da Haste 0,00051 m³Massa da Haste 3,98 kgPeso da Haste 39,00 N

Massa da Pá 7,75 KgPeso da Pá 75,99 N

ForçasReynolds 111.701,07 Cl 1,13Cd 0,02Ft 99,53 NFn 618,36 NTorque 256,04 Nm

Efeito PesoCarga distribuida 78,22 N/mMomento Fletor Máximo 84,52 NmEsforço cortante Máximo 57,49 NTensão Normal 93.705.075,62 N/mTensão Cisalhante 667.535,55 N/m²

Efeito FnMomento Fletor Máximo 303,00 Nm

Eforço Cortante Máximo 206,12 NTensão Normal 335.939.289,43 N/mTensão Cisalhante 2.393.161,91 N/m²

MEDSoma T Normal 429.644.365,05 N/mSoma T Cisalhante 3.060.697,46 N/m²MED 429.677.069,46 N/m²Fator de Segurança 3,70 OK

BOSSODiametro 0,30 mAltura 0,0600 mVolume 0,00177 m³Massa Específica 7.500 kg/m³Massa 13,30 KgPeso 130,49 N

EIXO DE BAIXAL1 0,0420 mD1 0,0250 m

L2 0,016 mCoeficiente de Segurança 2Momento Fletor 19,97 NmSe 21.176.665,92 Pa

Sut 1.720.000.000,00 PaSy 1.590.000.000,00 PaSe' 860.000.000,00 Pa

Ka (superficie) 0,02a 4,51b -0,265

Kb (tamanho) 1,88 Kc (carregamento) 1Kd (temperatura) 1Ke (confiabilidade) 0,81

D2 0,0269 mD2 Normalizado 0,0300 m

L3 0,168 mD3 0,035 m

ROLAMENTO - Eixo de BaixaFa 618,36 NFr 475,45 NC0 11.200,00 NV 1

Fa/Co 0,055 e 0,255

Fa/(v*Fr) 1,30 Fa/(v*Fr) > e simX 0,56

Y 1,60 P 1.255,63 N

L 183.862,09 Horasa1 1a23 1,05Ajuste para hora 46,75 C 19.500,00 Np 3

L10 3.745,61 mi revs

Dias de trabalho 7.660,92 DiasAnos de Trabalho 20,99 Anos

ROLAMENTO - TorreFa 1.901,81 NFr 618,36 NC0 43.000,00 NV 1

Fa/Co 0,044 e 0,244

Fa/(v*Fr) 3,08 Fa/(v*Fr) > e simX 0,56

Y 1,60 P 3.389,17 N

L 75.928,85 Horasa1 1a23 1,18Ajuste para hora 46,75 C 37.700,00 Np 3

L10 1.376,40 mi revs

Dias de trabalho 3.163,70 DiasAnos de Trabalho 8,67 Anos

CHAVETA - Eixo de BaixaSut 1720 MPaSy 1590 MPab 8 mmh 7 mmL 20 mmTensão de Compressão 292,62 MPaTensão de Cisalhamento 128,02 MPa

Ssy 885,63 MPaCS Compressão 5,43 okCS Cisalhamento 6,92 ok

TORRE

Altura da Torre 19 mComponente Vertical

Módulo de elasticidade 2,1E+11 PaDexterno 0,15 mDinterno 0,13 mMomento de Inércia 1,08306E-05 kgm²Constante para o tipo de ex. 0,25Carga Crítica de Flambagem 15.545,55 N

0,017592919Massa Componentes 193,86 kgPeso Componentes 1.901,81 NCS Flambagem 8,17

Componentes HorizontalMomento Fletor Máximo 11.748,81 NmEforço Cortante Máximo 618,36 NmTensão Normal 81.358.169,99 N/m²

Módulo de Resistência a Flexão 0,0001444 m³Tensão Cisalhante 69.883,28 N/m²MED 81,36 MPaTensão limite de escoamento 193 MPaCS 2,37

GERADORPotência do Vento 2.216,71 WCoeficiente de Betz 0,59 Potência Eixo de Baixa 1.313,60 WRendimento 98%Potência Final 1.287,33 W

projeto mecânico de um aerogerador horizontal tripá

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