projeto de uma turbina eÓlica de eixo...
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PROJETO DE UMA TURBINA EOacuteLICA DE EIXO HORIZONTAL
Caio Filippo de Faria Machado
Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado ao Curso de
Engenharia Mecacircnica da Escola Politeacutecnica
Universidade Federal do Rio de Janeiro como
parte dos requisitos necessaacuterios agrave obtenccedilatildeo do
tiacutetulo de Engenheiro
Orientador Prof Flaacutevio de Marco Filho DSc
Rio de Janeiro
Agosto de 2014
i
Machado Caio Filippo de Faria
Projeto de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal
Caio Filippo de Faria Machado ndash Rio de Janeiro UFRJ
Escola Politeacutecnica 2014
VII 65 p il 297 cm
Orientador Flaacutevio de Marco Filho
Projeto de Graduaccedilatildeo ndash UFRJ Escola Politeacutecnica
Curso de Engenharia Mecacircnica 2014
Referecircncias bibliograacuteficas p46 - 47
1 Introduccedilatildeo 2 Projeto 3 Conclusatildeo I de Marco
Filho Flaacutevio Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola Politeacutecnica Curso de Engenharia Mecacircnica III
Projeto de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal
ii
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeccedilo a Deus
Em segundo lugar devo este diploma aos meus pais e aos meus irmatildeos Sempre
fizeram de tudo para que eu me dedicasse ao maacuteximo aos estudos permitiram que eu
estudasse nos melhores coleacutegios e cursos e nunca saiacuteram do meu lado Se eu estou me
formando engenheiro eacute graccedilas a eles
Natildeo menos importante agrave minha namorada Diana Regalla Esteve ao meu lado
durante toda a minha graduaccedilatildeo sempre me apoiou em tudo Exemplo de dedicaccedilatildeo e
responsabilidade foi muitas vezes uma inspiraccedilatildeo pra mim Sem duacutevidas foi a grande
responsaacutevel pela minha evoluccedilatildeo no curso
Dedico tambeacutem a todos os meus familiares mas em especial ao meu padrinho
Gilberto a minha tia Luacutecia ao Tio Maurizio (talvez o grande responsaacutevel por eu ter
escolhido Engenharia Mecacircnica) e ao Tio Wellington Nos momentos mais difiacuteceis
estiveram ao lado da minha famiacutelia me dando tranquilidade para me dedicar aos meus
estudos
Agrave famiacutelia da minha namorada e agrave Vitoacuteria por me tratarem sempre com muito
amor e carinho quase como um filho
Aos meus amigos de graduaccedilatildeo em especial Mauriacutecio Iglesias Alexandre
Cavalcanti Rodrigo Picanccedila e Joatildeo Paulo pelas diversas horas de estudo em grupo
Aos meus amigos do Satildeo Bento que manteacutem firme uma amizade de mais de
uma deacutecada mesmo eu estando ausente em diversas festas por causa dos estudos
Agrave Technip e agrave Ipiranga que permitirem horaacuterios flexiacuteveis no meu estaacutegio para
que eu pudesse estudar pras provas
Por fim agradeccedilo aos meus professores de graduaccedilatildeo em especial ao professor
Flaacutevio pela orientaccedilatildeo durante o projeto sendo o responsaacutevel pela grande evoluccedilatildeo que
obtive desde meu primeiro desenho
iii
Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola PoliteacutecnicaUFRJ como parte
dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Mecacircnico
PROJETO DE UMA TURBINA EOacuteLICA DE EIXO HORIZONTAL
Caio Filippo de Faria Machado
Agosto2014
Orientador Flaacutevio de Marco Filho
Curso Engenharia Mecacircnica
As turbinas eoacutelicas satildeo maacutequinas que aproveitam a energia cineacutetica do vento e a
converte em energia eleacutetrica atraveacutes de um gerador eleacutetrico conectado ao seu eixo
Conjuntos de turbinas eoacutelicas formam usinas ou parques eoacutelicos que cada vez mais
estatildeo se tornando uma fonte importante de energia limpa e renovaacutevel minimizando a
utilizaccedilatildeo e dependecircncia de combustiacuteveis foacutesseis
Este trabalho apresenta o dimensionamento e os desenhos dos componentes
mecacircnicos de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal tendo como dados iniciais o
diacircmetro do rotor e a altura da turbina
Palavras-chave Aerogerador Turbina eoacutelica Eixo Horizontal Projeto
iv
Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer
DESIGN OF A HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE
Caio Filippo de Faria Machado
August2014
Advisor Flaacutevio de Marco Filho
Course Mechanical Engineering
Wind turbines are machines that harness the kinetic energy of the wind and
converts it into electrical energy through an electric generator connected to its axis Sets
of wind turbines forming wind parks or wind farms which are increasingly becoming
an important source of clean and renewable energy minimizing the use and dependence
on fossil fuels
This work presents the design and drawings of mechanical components of a
wind turbine horizontal axis having as initial data the rotor diameter and the height of
the turbine
Keywords Wind Turbine Horizontal Axis Project
v
Iacutendice
1 INTRODUCcedilAtildeO 1
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional 2
12 Os ventos 5
13 Aerogeradores 8
131 Histoacuterico 8
132 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 10
2 PROJETO DA TURBINA 14
21 Dados iniciais 14
22 Estimativa Potecircncia 15
23 Dimensionamento das paacutes 20
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute 23
25 Sistema de Frenagem 25
26 Gerador 26
27 Engrenagens 26
28 Eixos 30
29 Chavetas 37
210 Rolamentos 38
211 Nacele 39
212 Hub 39
213 Torre de Sustentaccedilatildeo 40
214 Sistema de Guinada 42
3 CONCLUSAtildeO 44
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 45
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos 47
ANEXO I ndash TABELAS 49
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS 57
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS 65
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12
Figura 9 - Exemplo de Hub 13
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23
Figura 18 - Corte do Freio 25
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 1 32
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 2 33
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39
Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41
Figura 24 - Base da Torre 41
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo intermediaacuterio 48
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo de saiacuteda 49
vii
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute
uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A
transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de
aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices
ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico
A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de
acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes
mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute
instalada
A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para
moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento
dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica
tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos
de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de
energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando
importacircncia
Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais
hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos
governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar
os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis
Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil
ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo
privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica
com perspectivas bastante promissoras
2
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional
Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da
energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem
sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997
ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009
Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre
a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2
este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o
crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano
estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW
3
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW
As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave
capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses
pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha
deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para
investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou
em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes
4
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)
Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf
posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um
total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600
MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
i
Machado Caio Filippo de Faria
Projeto de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal
Caio Filippo de Faria Machado ndash Rio de Janeiro UFRJ
Escola Politeacutecnica 2014
VII 65 p il 297 cm
Orientador Flaacutevio de Marco Filho
Projeto de Graduaccedilatildeo ndash UFRJ Escola Politeacutecnica
Curso de Engenharia Mecacircnica 2014
Referecircncias bibliograacuteficas p46 - 47
1 Introduccedilatildeo 2 Projeto 3 Conclusatildeo I de Marco
Filho Flaacutevio Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola Politeacutecnica Curso de Engenharia Mecacircnica III
Projeto de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal
ii
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeccedilo a Deus
Em segundo lugar devo este diploma aos meus pais e aos meus irmatildeos Sempre
fizeram de tudo para que eu me dedicasse ao maacuteximo aos estudos permitiram que eu
estudasse nos melhores coleacutegios e cursos e nunca saiacuteram do meu lado Se eu estou me
formando engenheiro eacute graccedilas a eles
Natildeo menos importante agrave minha namorada Diana Regalla Esteve ao meu lado
durante toda a minha graduaccedilatildeo sempre me apoiou em tudo Exemplo de dedicaccedilatildeo e
responsabilidade foi muitas vezes uma inspiraccedilatildeo pra mim Sem duacutevidas foi a grande
responsaacutevel pela minha evoluccedilatildeo no curso
Dedico tambeacutem a todos os meus familiares mas em especial ao meu padrinho
Gilberto a minha tia Luacutecia ao Tio Maurizio (talvez o grande responsaacutevel por eu ter
escolhido Engenharia Mecacircnica) e ao Tio Wellington Nos momentos mais difiacuteceis
estiveram ao lado da minha famiacutelia me dando tranquilidade para me dedicar aos meus
estudos
Agrave famiacutelia da minha namorada e agrave Vitoacuteria por me tratarem sempre com muito
amor e carinho quase como um filho
Aos meus amigos de graduaccedilatildeo em especial Mauriacutecio Iglesias Alexandre
Cavalcanti Rodrigo Picanccedila e Joatildeo Paulo pelas diversas horas de estudo em grupo
Aos meus amigos do Satildeo Bento que manteacutem firme uma amizade de mais de
uma deacutecada mesmo eu estando ausente em diversas festas por causa dos estudos
Agrave Technip e agrave Ipiranga que permitirem horaacuterios flexiacuteveis no meu estaacutegio para
que eu pudesse estudar pras provas
Por fim agradeccedilo aos meus professores de graduaccedilatildeo em especial ao professor
Flaacutevio pela orientaccedilatildeo durante o projeto sendo o responsaacutevel pela grande evoluccedilatildeo que
obtive desde meu primeiro desenho
iii
Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola PoliteacutecnicaUFRJ como parte
dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Mecacircnico
PROJETO DE UMA TURBINA EOacuteLICA DE EIXO HORIZONTAL
Caio Filippo de Faria Machado
Agosto2014
Orientador Flaacutevio de Marco Filho
Curso Engenharia Mecacircnica
As turbinas eoacutelicas satildeo maacutequinas que aproveitam a energia cineacutetica do vento e a
converte em energia eleacutetrica atraveacutes de um gerador eleacutetrico conectado ao seu eixo
Conjuntos de turbinas eoacutelicas formam usinas ou parques eoacutelicos que cada vez mais
estatildeo se tornando uma fonte importante de energia limpa e renovaacutevel minimizando a
utilizaccedilatildeo e dependecircncia de combustiacuteveis foacutesseis
Este trabalho apresenta o dimensionamento e os desenhos dos componentes
mecacircnicos de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal tendo como dados iniciais o
diacircmetro do rotor e a altura da turbina
Palavras-chave Aerogerador Turbina eoacutelica Eixo Horizontal Projeto
iv
Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer
DESIGN OF A HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE
Caio Filippo de Faria Machado
August2014
Advisor Flaacutevio de Marco Filho
Course Mechanical Engineering
Wind turbines are machines that harness the kinetic energy of the wind and
converts it into electrical energy through an electric generator connected to its axis Sets
of wind turbines forming wind parks or wind farms which are increasingly becoming
an important source of clean and renewable energy minimizing the use and dependence
on fossil fuels
This work presents the design and drawings of mechanical components of a
wind turbine horizontal axis having as initial data the rotor diameter and the height of
the turbine
Keywords Wind Turbine Horizontal Axis Project
v
Iacutendice
1 INTRODUCcedilAtildeO 1
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional 2
12 Os ventos 5
13 Aerogeradores 8
131 Histoacuterico 8
132 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 10
2 PROJETO DA TURBINA 14
21 Dados iniciais 14
22 Estimativa Potecircncia 15
23 Dimensionamento das paacutes 20
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute 23
25 Sistema de Frenagem 25
26 Gerador 26
27 Engrenagens 26
28 Eixos 30
29 Chavetas 37
210 Rolamentos 38
211 Nacele 39
212 Hub 39
213 Torre de Sustentaccedilatildeo 40
214 Sistema de Guinada 42
3 CONCLUSAtildeO 44
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 45
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos 47
ANEXO I ndash TABELAS 49
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS 57
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS 65
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12
Figura 9 - Exemplo de Hub 13
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23
Figura 18 - Corte do Freio 25
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 1 32
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 2 33
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39
Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41
Figura 24 - Base da Torre 41
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo intermediaacuterio 48
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo de saiacuteda 49
vii
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute
uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A
transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de
aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices
ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico
A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de
acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes
mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute
instalada
A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para
moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento
dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica
tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos
de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de
energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando
importacircncia
Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais
hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos
governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar
os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis
Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil
ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo
privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica
com perspectivas bastante promissoras
2
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional
Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da
energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem
sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997
ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009
Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre
a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2
este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o
crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano
estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW
3
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW
As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave
capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses
pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha
deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para
investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou
em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes
4
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)
Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf
posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um
total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600
MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
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[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
ii
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeccedilo a Deus
Em segundo lugar devo este diploma aos meus pais e aos meus irmatildeos Sempre
fizeram de tudo para que eu me dedicasse ao maacuteximo aos estudos permitiram que eu
estudasse nos melhores coleacutegios e cursos e nunca saiacuteram do meu lado Se eu estou me
formando engenheiro eacute graccedilas a eles
Natildeo menos importante agrave minha namorada Diana Regalla Esteve ao meu lado
durante toda a minha graduaccedilatildeo sempre me apoiou em tudo Exemplo de dedicaccedilatildeo e
responsabilidade foi muitas vezes uma inspiraccedilatildeo pra mim Sem duacutevidas foi a grande
responsaacutevel pela minha evoluccedilatildeo no curso
Dedico tambeacutem a todos os meus familiares mas em especial ao meu padrinho
Gilberto a minha tia Luacutecia ao Tio Maurizio (talvez o grande responsaacutevel por eu ter
escolhido Engenharia Mecacircnica) e ao Tio Wellington Nos momentos mais difiacuteceis
estiveram ao lado da minha famiacutelia me dando tranquilidade para me dedicar aos meus
estudos
Agrave famiacutelia da minha namorada e agrave Vitoacuteria por me tratarem sempre com muito
amor e carinho quase como um filho
Aos meus amigos de graduaccedilatildeo em especial Mauriacutecio Iglesias Alexandre
Cavalcanti Rodrigo Picanccedila e Joatildeo Paulo pelas diversas horas de estudo em grupo
Aos meus amigos do Satildeo Bento que manteacutem firme uma amizade de mais de
uma deacutecada mesmo eu estando ausente em diversas festas por causa dos estudos
Agrave Technip e agrave Ipiranga que permitirem horaacuterios flexiacuteveis no meu estaacutegio para
que eu pudesse estudar pras provas
Por fim agradeccedilo aos meus professores de graduaccedilatildeo em especial ao professor
Flaacutevio pela orientaccedilatildeo durante o projeto sendo o responsaacutevel pela grande evoluccedilatildeo que
obtive desde meu primeiro desenho
iii
Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola PoliteacutecnicaUFRJ como parte
dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Mecacircnico
PROJETO DE UMA TURBINA EOacuteLICA DE EIXO HORIZONTAL
Caio Filippo de Faria Machado
Agosto2014
Orientador Flaacutevio de Marco Filho
Curso Engenharia Mecacircnica
As turbinas eoacutelicas satildeo maacutequinas que aproveitam a energia cineacutetica do vento e a
converte em energia eleacutetrica atraveacutes de um gerador eleacutetrico conectado ao seu eixo
Conjuntos de turbinas eoacutelicas formam usinas ou parques eoacutelicos que cada vez mais
estatildeo se tornando uma fonte importante de energia limpa e renovaacutevel minimizando a
utilizaccedilatildeo e dependecircncia de combustiacuteveis foacutesseis
Este trabalho apresenta o dimensionamento e os desenhos dos componentes
mecacircnicos de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal tendo como dados iniciais o
diacircmetro do rotor e a altura da turbina
Palavras-chave Aerogerador Turbina eoacutelica Eixo Horizontal Projeto
iv
Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer
DESIGN OF A HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE
Caio Filippo de Faria Machado
August2014
Advisor Flaacutevio de Marco Filho
Course Mechanical Engineering
Wind turbines are machines that harness the kinetic energy of the wind and
converts it into electrical energy through an electric generator connected to its axis Sets
of wind turbines forming wind parks or wind farms which are increasingly becoming
an important source of clean and renewable energy minimizing the use and dependence
on fossil fuels
This work presents the design and drawings of mechanical components of a
wind turbine horizontal axis having as initial data the rotor diameter and the height of
the turbine
Keywords Wind Turbine Horizontal Axis Project
v
Iacutendice
1 INTRODUCcedilAtildeO 1
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional 2
12 Os ventos 5
13 Aerogeradores 8
131 Histoacuterico 8
132 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 10
2 PROJETO DA TURBINA 14
21 Dados iniciais 14
22 Estimativa Potecircncia 15
23 Dimensionamento das paacutes 20
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute 23
25 Sistema de Frenagem 25
26 Gerador 26
27 Engrenagens 26
28 Eixos 30
29 Chavetas 37
210 Rolamentos 38
211 Nacele 39
212 Hub 39
213 Torre de Sustentaccedilatildeo 40
214 Sistema de Guinada 42
3 CONCLUSAtildeO 44
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 45
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos 47
ANEXO I ndash TABELAS 49
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS 57
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS 65
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12
Figura 9 - Exemplo de Hub 13
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23
Figura 18 - Corte do Freio 25
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 1 32
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 2 33
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39
Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41
Figura 24 - Base da Torre 41
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo intermediaacuterio 48
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo de saiacuteda 49
vii
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute
uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A
transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de
aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices
ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico
A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de
acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes
mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute
instalada
A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para
moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento
dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica
tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos
de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de
energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando
importacircncia
Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais
hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos
governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar
os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis
Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil
ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo
privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica
com perspectivas bastante promissoras
2
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional
Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da
energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem
sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997
ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009
Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre
a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2
este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o
crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano
estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW
3
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW
As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave
capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses
pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha
deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para
investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou
em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes
4
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)
Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf
posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um
total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600
MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
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[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
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Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
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Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
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Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
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[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
iii
Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola PoliteacutecnicaUFRJ como parte
dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Mecacircnico
PROJETO DE UMA TURBINA EOacuteLICA DE EIXO HORIZONTAL
Caio Filippo de Faria Machado
Agosto2014
Orientador Flaacutevio de Marco Filho
Curso Engenharia Mecacircnica
As turbinas eoacutelicas satildeo maacutequinas que aproveitam a energia cineacutetica do vento e a
converte em energia eleacutetrica atraveacutes de um gerador eleacutetrico conectado ao seu eixo
Conjuntos de turbinas eoacutelicas formam usinas ou parques eoacutelicos que cada vez mais
estatildeo se tornando uma fonte importante de energia limpa e renovaacutevel minimizando a
utilizaccedilatildeo e dependecircncia de combustiacuteveis foacutesseis
Este trabalho apresenta o dimensionamento e os desenhos dos componentes
mecacircnicos de uma turbina eoacutelica de eixo horizontal tendo como dados iniciais o
diacircmetro do rotor e a altura da turbina
Palavras-chave Aerogerador Turbina eoacutelica Eixo Horizontal Projeto
iv
Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer
DESIGN OF A HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE
Caio Filippo de Faria Machado
August2014
Advisor Flaacutevio de Marco Filho
Course Mechanical Engineering
Wind turbines are machines that harness the kinetic energy of the wind and
converts it into electrical energy through an electric generator connected to its axis Sets
of wind turbines forming wind parks or wind farms which are increasingly becoming
an important source of clean and renewable energy minimizing the use and dependence
on fossil fuels
This work presents the design and drawings of mechanical components of a
wind turbine horizontal axis having as initial data the rotor diameter and the height of
the turbine
Keywords Wind Turbine Horizontal Axis Project
v
Iacutendice
1 INTRODUCcedilAtildeO 1
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional 2
12 Os ventos 5
13 Aerogeradores 8
131 Histoacuterico 8
132 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 10
2 PROJETO DA TURBINA 14
21 Dados iniciais 14
22 Estimativa Potecircncia 15
23 Dimensionamento das paacutes 20
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute 23
25 Sistema de Frenagem 25
26 Gerador 26
27 Engrenagens 26
28 Eixos 30
29 Chavetas 37
210 Rolamentos 38
211 Nacele 39
212 Hub 39
213 Torre de Sustentaccedilatildeo 40
214 Sistema de Guinada 42
3 CONCLUSAtildeO 44
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 45
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos 47
ANEXO I ndash TABELAS 49
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS 57
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS 65
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12
Figura 9 - Exemplo de Hub 13
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23
Figura 18 - Corte do Freio 25
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 1 32
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 2 33
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39
Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41
Figura 24 - Base da Torre 41
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo intermediaacuterio 48
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo de saiacuteda 49
vii
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute
uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A
transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de
aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices
ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico
A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de
acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes
mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute
instalada
A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para
moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento
dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica
tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos
de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de
energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando
importacircncia
Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais
hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos
governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar
os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis
Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil
ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo
privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica
com perspectivas bastante promissoras
2
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional
Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da
energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem
sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997
ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009
Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre
a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2
este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o
crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano
estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW
3
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW
As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave
capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses
pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha
deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para
investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou
em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes
4
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)
Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf
posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um
total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600
MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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46
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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
iv
Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer
DESIGN OF A HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE
Caio Filippo de Faria Machado
August2014
Advisor Flaacutevio de Marco Filho
Course Mechanical Engineering
Wind turbines are machines that harness the kinetic energy of the wind and
converts it into electrical energy through an electric generator connected to its axis Sets
of wind turbines forming wind parks or wind farms which are increasingly becoming
an important source of clean and renewable energy minimizing the use and dependence
on fossil fuels
This work presents the design and drawings of mechanical components of a
wind turbine horizontal axis having as initial data the rotor diameter and the height of
the turbine
Keywords Wind Turbine Horizontal Axis Project
v
Iacutendice
1 INTRODUCcedilAtildeO 1
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional 2
12 Os ventos 5
13 Aerogeradores 8
131 Histoacuterico 8
132 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 10
2 PROJETO DA TURBINA 14
21 Dados iniciais 14
22 Estimativa Potecircncia 15
23 Dimensionamento das paacutes 20
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute 23
25 Sistema de Frenagem 25
26 Gerador 26
27 Engrenagens 26
28 Eixos 30
29 Chavetas 37
210 Rolamentos 38
211 Nacele 39
212 Hub 39
213 Torre de Sustentaccedilatildeo 40
214 Sistema de Guinada 42
3 CONCLUSAtildeO 44
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 45
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos 47
ANEXO I ndash TABELAS 49
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS 57
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS 65
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12
Figura 9 - Exemplo de Hub 13
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23
Figura 18 - Corte do Freio 25
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 1 32
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 2 33
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39
Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41
Figura 24 - Base da Torre 41
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo intermediaacuterio 48
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo de saiacuteda 49
vii
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute
uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A
transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de
aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices
ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico
A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de
acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes
mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute
instalada
A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para
moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento
dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica
tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos
de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de
energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando
importacircncia
Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais
hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos
governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar
os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis
Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil
ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo
privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica
com perspectivas bastante promissoras
2
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional
Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da
energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem
sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997
ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009
Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre
a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2
este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o
crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano
estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW
3
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW
As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave
capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses
pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha
deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para
investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou
em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes
4
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)
Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf
posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um
total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600
MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
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Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
v
Iacutendice
1 INTRODUCcedilAtildeO 1
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional 2
12 Os ventos 5
13 Aerogeradores 8
131 Histoacuterico 8
132 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 10
2 PROJETO DA TURBINA 14
21 Dados iniciais 14
22 Estimativa Potecircncia 15
23 Dimensionamento das paacutes 20
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute 23
25 Sistema de Frenagem 25
26 Gerador 26
27 Engrenagens 26
28 Eixos 30
29 Chavetas 37
210 Rolamentos 38
211 Nacele 39
212 Hub 39
213 Torre de Sustentaccedilatildeo 40
214 Sistema de Guinada 42
3 CONCLUSAtildeO 44
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 45
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos 47
ANEXO I ndash TABELAS 49
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS 57
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS 65
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12
Figura 9 - Exemplo de Hub 13
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23
Figura 18 - Corte do Freio 25
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 1 32
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 2 33
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39
Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41
Figura 24 - Base da Torre 41
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo intermediaacuterio 48
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo de saiacuteda 49
vii
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute
uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A
transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de
aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices
ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico
A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de
acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes
mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute
instalada
A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para
moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento
dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica
tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos
de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de
energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando
importacircncia
Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais
hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos
governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar
os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis
Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil
ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo
privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica
com perspectivas bastante promissoras
2
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional
Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da
energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem
sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997
ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009
Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre
a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2
este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o
crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano
estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW
3
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW
As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave
capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses
pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha
deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para
investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou
em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes
4
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)
Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf
posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um
total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600
MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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47
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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW 2
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW 3
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 4
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 4
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais 7
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana 7
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius e Darrieus 11
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo 12
Figura 9 - Exemplo de Hub 13
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte 14
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina 15
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica 17
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores 18
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes 20
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque 22
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque 22
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute 23
Figura 18 - Corte do Freio 25
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 1 32
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
caso 2 33
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo 37
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 39
Figura 23 - Modo de Iccedilamento 41
Figura 24 - Base da Torre 41
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda 42
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 43
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo intermediaacuterio 48
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o
eixo de saiacuteda 49
vii
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute
uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A
transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de
aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices
ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico
A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de
acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes
mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute
instalada
A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para
moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento
dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica
tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos
de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de
energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando
importacircncia
Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais
hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos
governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar
os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis
Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil
ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo
privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica
com perspectivas bastante promissoras
2
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional
Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da
energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem
sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997
ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009
Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre
a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2
este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o
crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano
estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW
3
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW
As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave
capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses
pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha
deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para
investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou
em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes
4
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)
Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf
posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um
total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600
MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
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[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
vii
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute
uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A
transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de
aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices
ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico
A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de
acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes
mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute
instalada
A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para
moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento
dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica
tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos
de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de
energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando
importacircncia
Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais
hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos
governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar
os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis
Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil
ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo
privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica
com perspectivas bastante promissoras
2
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional
Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da
energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem
sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997
ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009
Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre
a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2
este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o
crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano
estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW
3
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW
As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave
capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses
pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha
deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para
investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou
em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes
4
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)
Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf
posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um
total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600
MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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46
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Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
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_Parte_1pdf Acesso em 05052014
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47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
Por definiccedilatildeo energia eoacutelica eacute aquela que proveacutem da forccedila do vento Eacute
uma fonte abundante renovaacutevel limpa e disponiacutevel em muitos lugares A
transformaccedilatildeo de energia eleacutetrica atraveacutes da forccedila do vento eacute feita por meio de
aerogeradores ou turbinas eoacutelicas que captam a forccedila do vento em suas heacutelices
ligadas a uma turbina acionando um gerador eleacutetrico
A quantidade de energia produzida por uma turbina eoacutelica varia de
acordo com o tamanho das suas heacutelices da eficiecircncia de seus componentes
mecacircnicos e eleacutetricos e tambeacutem com o regime de ventos na regiatildeo onde estaacute
instalada
A energia eoacutelica jaacute vem sendo utilizada haacute milhares de anos para
moagem de gratildeos para mover barcos impulsionados por velas para bombeamento
dacuteaacutegua entre outras aplicaccedilotildees mecacircnicas Como o consumo de energia eleacutetrica
tem crescido nas uacuteltimas deacutecadas nas aacutereas residenciais e industriais os governos
de todo o mundo se viram obrigados a estudar novas fontes de fornecimento de
energia Eacute nesse contexto que fontes renovaacuteveis de energia vecircm ganhando
importacircncia
Energia solar fotovoltaica energia de biomassa pequenas centrais
hidreleacutetricas e energia eoacutelica tecircm sido as principais fontes de investimentos dos
governos para atender a crescente demanda por energia eleacutetrica e para minimizar
os impactos ambientais causados principalmente por combustiacuteveis foacutesseis
Apesar de grande avanccedilo nos uacuteltimos anos a geraccedilatildeo eoacutelica no Brasil
ainda encontra-se em estaacutegio inicial Entretanto o Brasil ocupa uma posiccedilatildeo
privilegiada na lista dos paiacuteses com maior potencial de geraccedilatildeo de energia eoacutelica
com perspectivas bastante promissoras
2
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional
Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da
energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem
sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997
ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009
Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre
a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2
este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o
crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano
estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW
3
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW
As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave
capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses
pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha
deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para
investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou
em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes
4
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)
Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf
posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um
total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600
MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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47
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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
2
11 Potencial Eoacutelico Mundial e Nacional
Percebe-se atualmente um crescente e constante desenvolvimento da
energia eoacutelica ao redor de todo o mundo Na Figura 1 pode-se observar como tem
sido o crescimento da capacidade eoacutelica instalada no mundo desde o ano de 1997
ateacute 2013 Destaque para a intensificaccedilatildeo neste crescimento entre 2007 e 2009
Pode-se creditar esse crescimento ao aumento de investimentos e subsiacutedios sobre
a fonte junto com uma maior preocupaccedilatildeo ecoloacutegica e ambiental Na figura 2
este comportamento fica mais evidente quando nestes anos especiacuteficos o
crescimento da capacidade instalada aumentou cerca de 50 de ano a ano
estabilizando em torno de 40 GW a partir de 2009
Figura 1 - Capacidade instalada total de energia eoacutelica no mundo em MW
3
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW
As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave
capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses
pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha
deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para
investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou
em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes
4
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)
Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf
posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um
total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600
MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
3
Figura 2 - Capacidade instalada adicional de energia eoacutelica por ano em MW
As Figuras 3 e 4 apresentam um ranking de paiacuteses em relaccedilatildeo agrave
capacidade instalada de energia eoacutelica ateacute 2013 Eacute possiacutevel observar que paiacuteses
pioneiros no desenvolvimento da energia eoacutelica como Alemanha e Espanha
deram lugar no topo da lista para paiacuteses maiores com mais capital para
investimento na fonte Podemos destacar a China que em cinco anos aumentou
em mais de dez vezes a capacidade instalada no paiacutes
4
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)
Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf
posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um
total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600
MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
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24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
4
Figura 3 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2011 (fonte WWEA 2011)
Figura 4 - Ranking dos paiacuteses em capacidade instalada de energia eoacutelica em 2013 (fonte WWEA 2013)
Na figura 3 observa-se que o Brasil ao final de 2010 ocupava a 21ordf
posiccedilatildeo no ranking mundial em termos de capacidade eoacutelica instalada com um
total de 930 MW Comparando com a capacidade instalada em 2009 (de 600
MW) observa-se que apenas em 2010 o paiacutes instalou mais 330 MW o que
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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46
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Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
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_Parte_1pdf Acesso em 05052014
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[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
5
representou um aumento de 55 As previsotildees para os proacuteximos 20 anos satildeo
animadoras e tendem agrave manutenccedilatildeo desse crescimento Estima-se que o paiacutes veraacute
a participaccedilatildeo das energias renovaacuteveis como um todo crescer para 1250 TWh ateacute
2030
Em territoacuterio brasileiro as regiotildees onde se encontram os melhores
potenciais para instalaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas satildeo Norte e Nordeste Em
comparaccedilatildeo a outras fontes alternativas disponiacuteveis nessas regiotildees a eoacutelica
apresenta grandes vantagens que a coloca como uma importante opccedilatildeo para novos
investimentos em energia
A regiatildeo nordeste eacute pioneira em instalaccedilotildees de energia eoacutelica devido ao
potencial de ventos favoraacuteveis e grande parte dos parques eoacutelicos estaacute localizada
na regiatildeo Ainda assim os valores apresentados para as instalaccedilotildees em operaccedilatildeo
hoje no paiacutes se mostram modestos se comparados agraves metas estipuladas pelo
governo federal em 2005 Apesar de ainda estarem em fase de crescimento as
instalaccedilotildees que jaacute estatildeo operando demonstram a importante iniciativa de
concessionaacuterias brasileiras e tambeacutem de empresas do setor energeacutetico que dentro
do novo cenaacuterio eleacutetrico investiram no desenvolvimento do aproveitamento
eoacutelico para geraccedilatildeo de energia [23]
A maior vantagem da energia eoacutelica no Brasil aleacutem de fatores
econocircmicos como a reduccedilatildeo gradual do preccedilo da energia gerada eacute a
complementaridade com a fonte hiacutedrica que eacute a principal fonte na matriz
energeacutetica brasileira A tendecircncia de estabilizaccedilatildeo sazonal da oferta de energia
utilizando a energia eoacutelica como complemento foi comprovada por estudos dos
niacuteveis meacutedios de vazatildeo dos rios que atendem usinas hidreleacutetricas nas regiotildees
nordeste e sul
A complementaridade na geraccedilatildeo de energia tem se mostrado um tema
de grande interesse uma vez que o consumo de energia eleacutetrica no Brasil
apresenta taxas de crescimento de 5 ao ano e tambeacutem pelo fato de garantir
maior seguranccedila ao sistema nacional em caso de escassez de chuvas o que
prejudica a geraccedilatildeo hidreleacutetrica [22]
Estima-se que ateacute 2020 12 da energia utilizada no mundo seraacute gerada
pelo vento [21]
12 Os ventos
Os ventos que sopram na terra podem ser classificados como ventos de
circulaccedilatildeo global ou local Os ventos de circulaccedilatildeo global satildeo resultantes das
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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46
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_Parte_1pdf Acesso em 05052014
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47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
6
variaccedilotildees de pressatildeo causadas devido ao aquecimento desigual da terra pela
radiaccedilatildeo solar [19]
A radiaccedilatildeo solar eacute mais absorvida pela superfiacutecie em regiotildees proacuteximas a
linha do equador do que em regiotildees proacuteximas aos poacutelos O resultado deste
aquecimento desigual satildeo ventos das superfiacutecies frias dos poacutelos circulando para o
equador substituindo o ar quente que sobe nos troacutepicos e se move pela atmosfera
superior ateacute os poacutelos fechando o ciclo
Aleacutem da radiaccedilatildeo solar a rotaccedilatildeo da Terra tambeacutem afeta o ciclo de
ventos A ineacutercia do ar frio que se move perto da superfiacutecie em direccedilatildeo ao
equador tende a giraacute-lo para o oeste enquanto o ar quente movendo-se na
atmosfera superior em direccedilatildeo aos poacutelos tende a ser desviado para o leste Isso
causa uma grande circulaccedilatildeo anti-horaacuteria em torno de aacutereas de baixa pressatildeo no
hemisfeacuterio norte e circulaccedilatildeo horaacuteria no hemisfeacuterio sul
Como o eixo de rotaccedilatildeo da Terra eacute inclinado em relaccedilatildeo ao plano no
qual ela se move em torno do Sol ocorrem variaccedilotildees sazonais na intensidade e
direccedilatildeo do vento em qualquer lugar na superfiacutecie da Terra
Forccedilas gravitacionais ineacutercia do ar e fricccedilatildeo do ar com a superfiacutecie da
terra aleacutem do gradiente de pressatildeo e as forccedilas causadas pela rotaccedilatildeo da Terra
(conhecidas como forccedilas de Coriolis) influenciam os ventos globais
Jaacute os ventos locais satildeo influenciados por fatores como rugosidade do
terreno tipo de vegetaccedilatildeo construccedilotildees e relevo entre outros paracircmetros do local
[8]
A Figura 5 a seguir ilustra a circulaccedilatildeo dos ventos globais citados
acima
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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46
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47
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
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24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
7
Figura 5 - Circulaccedilatildeo dos ventos globais
Experimentos em mecacircnica dos fluidos mostram que a velocidade de
um fluido que escoa proacuteximo a uma superfiacutecie eacute nula em funccedilatildeo do atrito entre o
ar e a superfiacutecie do solo Ao analisar o perfil de velocidade deste fluido com a
altura verifica-se que no sentido perpendicular agrave altura a velocidade passa de um
valor nulo e atinge uma velocidade de escoamento U Esta mudanccedila eacute mais
acentuada proacutexima agrave superfiacutecie e menos acentuada em grandes alturas
A regiatildeo junto agrave superfiacutecie em que ocorre esta mudanccedila no valor da
velocidade eacute conhecida como camada limite Na Figura 6 eacute possiacutevel notar a
variaccedilatildeo da velocidade U na camada limite l e a sua estabilidade em maiores
alturas [9]
Figura 6 - Escoamento sobre uma superfiacutecie plana
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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46
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47
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
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24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
8
No interior da camada limite normalmente o ar escoa com certa
turbulecircncia tendo em vista a influecircncia de paracircmetros como densidade
viscosidade rugosidade e presenccedila de obstaacuteculos
Como as turbinas eoacutelicas satildeo instaladas no interior da camada limite
(considerada ateacute 150 metros acima da superfiacutecie) eacute importante conhecer a
distribuiccedilatildeo de velocidades em relaccedilatildeo agrave altura para determinar a produtividade da
turbina e para avaliar os esforccedilos sofridos pelos equipamentos jaacute que esforccedilos
ciacuteclicos podem surgir no caso de instabilidade de ventos o que pode ocasionar
falhas por fadiga [8]
Para o dimensionamento confiaacutevel da capacidade de geraccedilatildeo de energia
eoacutelica em uma regiatildeo eacute necessaacuteria apoacutes um estudo preliminar de identificaccedilatildeo de
locais promissores a instalaccedilatildeo de equipamentos proacuteprios de mediccedilatildeo e coleta de
dados por um periacuteodo de tempo
A escolha do local de mediccedilatildeo a instalaccedilatildeo dos aparelhos e a calibraccedilatildeo
dos mesmos satildeo essenciais para um resultado satisfatoacuterio Recomenda-se tambeacutem
que as mediccedilotildees sejam executadas por um periacuteodo miacutenimo de um ano devido agraves
variaccedilotildees sazonais do vento
Aleacutem disso em um parque eoacutelico as turbinas devem estar posicionadas
na direccedilatildeo do vento espaccediladas a uma distacircncia de oito a dez vezes o seu diacircmetro
Este espaccedilamento eacute necessaacuterio tendo em vista a alteraccedilatildeo da velocidade e perfil do
vento quando deixa a turbina Com o espaccedilamento reduzido a turbina a montante
funciona como um obstaacuteculo prejudicando o funcionamento de outras
posicionadas atraacutes [22]
13 Aerogeradores
131Histoacuterico
Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas possuem um histoacuterico um pouco
diferente se comparados a outras maacutequinas primitivas Pode-se dizer que sua
origem estaacute perdida na antiguidade mas mesmo assim sua reputaccedilatildeo como um
gerador de potecircncia mecacircnica uacutetil ao longo dos uacuteltimos milhares de anos foi
solidamente estabelecida O moinho de vento que despontou ao lado da roda
drsquoaacutegua como uma das duas primeiras maacutequinas baseadas na energia cineacutetica de
recursos naturais alcanccedilou seu apogeu nos seacuteculos XVII e XVIII [17]
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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46
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47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
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24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
9
Haacute muitas deacutecadas os moinhos de vento eram parte importante da
economia rural e soacute caiacuteram em desuso com a invenccedilatildeo e popularizaccedilatildeo de motores
movidos a combustiacuteveis foacutesseis e a expansatildeo da energia eleacutetrica em regiotildees rurais
O uso de turbinas eoacutelicas para gerar eletricidade surgiu no final do seacuteculo XIX
com a turbina de corrente contiacutenua construiacuteda por Charles Brush e a pesquisa
desenvolvida por Poul la Cour Apesar disso durante grande parte do seacuteculo XX
houve pouco interesse em utilizar a energia do vento para gerar eletricidade salvo
para fins de recarga de baterias em localizaccedilotildees remotas e esses sistemas de baixa
potecircncia foram rapidamente aposentados no momento em que o acesso agrave rede
eleacutetrica tornou-se disponiacutevel
A partir de 1930 diversas tentativas de configuraccedilotildees em busca de
padrotildees para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica a partir do vento foram observadas ao
redor do mundo Apesar dos avanccedilos tecnoloacutegicos houve pouco interesse em
empregar a energia eoacutelica ateacute a forte alta do preccedilo do petroacuteleo em 1973
A subida repentina dos preccedilos do barril de petroacuteleo estimulou alguns
governos a conceder financiamentos substanciais para programas de pesquisa
desenvolvimento e demonstraccedilatildeo de novas tecnologias os quais favoreceram a
produccedilatildeo de muito conhecimento importante nos campos cientiacutefico e de
engenharia No entanto os problemas de se operar aerogeradores muito grandes
sem equipes instaladas nas proximidades e em condiccedilotildees climaacuteticas difiacuteceis
foram de forma geral subestimados e a confiabilidade dos protoacutetipos natildeo era
boa O Conceito Dinamarquecircs de turbina eoacutelica surgiu a partir de um rotor de trecircs
paacutes regulado por stall (onde o fenocircmeno do estol eacute utilizado para reduzir a
velocidade do rotor) na configuraccedilatildeo upwind (no qual o plano do rotor estaacute
localizado agrave frente da maacutequina) e um gerador siacutencrono acoplado ao sistema de
transmissatildeo Essa arquitetura aparentemente simples mostrou-se bem-sucedida e
foi implantada em turbinas de ateacute 60 metros de diacircmetro e com potecircncia de ateacute 15
MW [16]
A partir dos anos 1990 a utilizaccedilatildeo de turbinas eoacutelicas para produzir
eletricidade foi motivado pelo fato das mesmas emitirem baixa quantidade de gaacutes
carbocircnico (CO2) durante o ciclo de vida inteiro da turbina (desde a manutenccedilatildeo
instalaccedilatildeo operaccedilatildeo ateacute o descomissionamento) e pelo potencial da energia dos
ventos de contribuir para mitigar o fenocircmeno das mudanccedilas climaacuteticas Entatildeo por
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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46
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Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
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Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
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_Parte_1pdf Acesso em 05052014
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47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
10
volta de 2006 o altiacutessimo preccedilo do petroacuteleo e preocupaccedilotildees a respeito da
seguranccedila de recursos energeacuteticos levaram a mais um aumento no interesse em
energia eoacutelica e uma sucessatildeo de poliacuteticas foram estabelecidas em muitos paiacuteses
para fomentar seu uso [15]
Como uma tecnologia de geraccedilatildeo energeacutetica relativamente nova a
eoacutelica precisa de suporte financeiro para estimular seu desenvolvimento e atrair
investimentos da iniciativa privada Esse suporte eacute dado em muitos paiacuteses e eacute
visto como um reconhecimento agrave contribuiccedilatildeo da eoacutelica para a atenuaccedilatildeo das
mudanccedilas climaacuteticas e para a seguranccedila dos sistemas energeacuteticos nacionais
Medidas de apoio mais gerais para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de baixo niacutevel de
emissotildees de carbono como o Sistema Europeu de Comeacutercio de Emissotildees (EU
ETS) ou outras poliacuteticas de comeacutercio de creacuteditos de carbono fornecem apoio
significativo para o desenvolvimento da energia eoacutelica no futuro [15]
132Tipos de Turbinas Eoacutelicas
As turbinas eoacutelicas podem ser classificadas de diversas maneiras mas a
principal eacute de acordo com a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo que pode
ser vertical ou horizontal
As turbinas eoacutelicas com eixo vertical tecircm como principal vantagem em
relaccedilatildeo agrave horizontal o fato de funcionarem independentemente da direccedilatildeo que se
encontra o vento Outra vantagem eacute a disposiccedilatildeo do eixo na vertical que requer
estruturas de sustentaccedilatildeo mais simples
As TEEVacutes (Turbina Eoacutelica de Eixo Vertical) podem ser movidas por
forccedilas de sustentaccedilatildeo e de arrasto Forccedilas de sustentaccedilatildeo satildeo forccedilas as quais um
corpo estaacute submetido quando sobre um fluxo de ar na direccedilatildeo perpendicular Jaacute as
forccedilas de arrasto atuam em linhas paralelas agrave direccedilatildeo do fluxo de ar
Os principais modelos de eixo vertical satildeo o Savonius e Darrieus
(Figura 7) O primeiro proposto por S J Savonius [10] na deacutecada de 30 era
movido pela forccedila de arrasto e foi baseado no rotor de Flettner [12]
O modelo conhecido como Darrieus foi inventado por G J M Darrieus
[13] tem seu funcionamento baseado na forccedila de sustentaccedilatildeo de um aerofoacutelio o
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
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Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
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Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
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Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
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[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
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Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
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Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
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Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
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Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
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[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
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[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
11
que permite que se obtenha uma rotaccedilatildeo mais elevada neste modelo em relaccedilatildeo ao
Savonius [11]
Aleacutem disso o modelo Darrieus apresenta maior eficiecircncia permitindo a
construccedilatildeo de modelos maiores e capazes de gerar potecircncias mais elevadas
Figura 7 - Turbinas eoacutelicas de eixo vertical modelo Savonius (esquerda) e Darrieus (direita)
A principal desvantagem das turbinas eoacutelicas de eixo vertical eacute sua
baixa eficiecircncia se comparada com a de eixo horizontal
As Turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo as mais difundidas no
mercado e tecircm como caracteriacutestica principal a necessidade de um sistema de
controle para posicionar o rotor na direccedilatildeo predominante de vento Elas extraem
com maior eficiecircncia a energia do vento se comparadas as TEEVacutes
Os rotores de uma turbina de eixo horizontal satildeo classificados de
acordo com sua orientaccedilatildeo em relaccedilatildeo ao vento (que pode ser downwind ou
upwind) nuacutemero de paacutes sistema de controle (pitch ou stall) e a forma com que se
alinham agrave direccedilatildeo do vento (yaw ativo ou passivo) A maioria de seus sistemas
mecacircnicos e eleacutetricos estatildeo instalados no niacutevel do eixo de rotaccedilatildeo A Figura 8
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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47
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
12
mostra as configuraccedilotildees upwind e downwind de uma Turbina Eoacutelica de Eixo
Horizontal [14]
Figura 8 - Classificaccedilatildeo dos rotores quanto agrave sua orientaccedilatildeo (a) Upwind e (b) Downwind
As principais partes de uma turbina eoacutelica para geraccedilatildeo de eletricidade
satildeo
- Rotor eacute o componente que realiza a transformaccedilatildeo da energia cineacutetica
dos ventos em energia mecacircnica de rotaccedilatildeo No rotor satildeo fixadas as paacutes da turbina
e todo o conjunto eacute conectado a um eixo que transmite a rotaccedilatildeo das paacutes para o
gerador atraveacutes de uma caixa multiplicadora
- Caixa de Multiplicaccedilatildeo Responsaacutevel pelo aumento da velocidade de
rotaccedilatildeo do eixo de baixa velocidade
- Hub constitui elemento de conexatildeo das paacutes com o eixo do rotor
transmitindo forccedilas conjugados e vibraccedilotildees Pode ser construiacutedo de accedilo fundido
placas de accedilo soldadas ou accedilo forjado (Figura 9)
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
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[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
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Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
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[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
13
Figura 9 - Exemplo de Hub
- Paacutes do rotor Aproveitam a energia do vento para girar em torno do
eixo de rotaccedilatildeo da turbina As paacutes satildeo determinantes para o caacutelculo da potecircncia da
turbina Quanto maior o seu diacircmetro maior a aacuterea de varredura do rotor
- Sistema de Freios Eacute utilizado como uma forma mecacircnica de reduzir a
rotaccedilatildeo das paacutes O sistema de freios trabalha em sincronia com os mecanismos de
controle eletrocircnico sendo acionado quando a velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes atinge
niacuteveis potencialmente perigosos agrave estrutura
- Nacele compartimento (estrutura de proteccedilatildeo) do conjunto contendo a
engrenagem eixos gerador controlador e freio (todo o mecanismo do gerador)
- Gerador Responsaacutevel pela conversatildeo da energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
- Mecanismo de Controle de Potecircncia Responsaacutevel controle da
velocidade de rotaccedilatildeo das paacutes
- Torre eacute o componente projetado para sustentar a turbina com todos os
seus componentes As torres podem ser de concreto metaacutelicas (de accedilo) ou
hiacutebridas (com uma parte de concreto e outra de accedilo) e podem ser de trecircs tipos
treliccediladas tubulares estaiadas e tubulares livres As torres representam
aproximadamente 20 do valor final do conjunto instalado
- Sistema de Controle de Guinada (Yaw Control) ndash Orienta o rotor na
direccedilatildeo do vento de modo a manter a turbina em posiccedilatildeo perpendicular ao vento
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
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46
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Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
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_Parte_1pdf Acesso em 05052014
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[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
14
aumentando a potecircncia Turbinas que trabalham sem este mecanismo estatildeo
sujeitas a maiores cargas de fadiga e danos estruturais
Figura 10 - Partes de uma Turbina de Grande Porte
2 PROJETO DA TURBINA
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eoacutelica de eixo horizontal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Seraacute projetada uma
turbina de pequeno porte do tipo ldquoUpWindrdquo (recebe o vento frontalmente) e com
sistema passivo de controle de guinada por meio de cauda com os paracircmetros
iniciais definidos abaixo
21 Dados iniciais
Velocidade de projeto 8ms
Altura da torre 12m
Diacircmetro do Rotor 4m
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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47
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
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24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
15
22 Estimativa Potecircncia
A potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas representa apenas uma fraccedilatildeo
de toda a potecircncia contida no vento Essa quantidade aproveitada eacute quantificada
pelo Coeficiente de Potecircncia Cp
O Cp eacute entatildeo a relaccedilatildeo entre a potecircncia maacutexima possiacutevel de se extrair
do vento e a quantidade total de potecircncia contida nele Estas perdas acontecem
devido a caracteriacutesticas aerodinacircmicas das turbinas [11]
O fiacutesico alematildeo Albert Betz em 1928 formulou a lei Betz
demonstrando que o maacuteximo fiacutesico da utilizaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento
reside nos 593 A sua teoria sobre o design das paacutes que otimiza o coeficiente
de potecircncia continua ainda hoje a ser a base da construccedilatildeo dos equipamentos
A Figura 11 e as equaccedilotildees a seguir demonstram como Betz chegou a
este resultado e como eacute calculado o Cp para turbinas eoacutelicas modernas
Figura 11 - Perfil do vento ao passar pelas paacutes de uma turbina
Sendo
V1 = velocidade do vento natildeo perturbado (antes de passar pela turbina)
V0 = velocidade do vento ao atingir com as paacutes
V2 = velocidade do vento apoacutes passar pelas paacutes
e V1 gt V0 gt V2
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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47
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APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
16
Pela lei da continuidade de fluxo [9]
1 ∙ 1ܣ = 2 ∙ 2ܣ
Entatildeo todo volume de ar que chega ateacute as paacutes deve sair delas Como a
velocidade V2 do ar na saiacuteda eacute menor que na entrada este ar ocuparaacute uma aacuterea
A2 maior que A1
A energia extraiacuteda dos ventos nas paacutes do rotor eacute a diferenccedila entre a
energia cineacutetica do vento que chega pela parte frontal da turbina e a energia
cineacutetica contida no vento que deixa a turbina Esta energia pode ser calculada pela
equaccedilatildeo abaixo
Onde eacute a massa de ar em quilogramas e ݒ eacute a sua velocidade em
metros por segundo
A quantidade ou massa de ar utilizada para calcular esta energia eacute
expressa em funccedilatildeo da densidade do ar ߩ e do seu volume V Este volume V eacute
calculado pela aacuterea de varredura das paacutes da turbina eoacutelica e por uma distacircncia x
Entatildeo substituindo ݔ∙ܣ∙ߩ= a equaccedilatildeo fica
Para calcular a potecircncia gerada eacute necessaacuterio considerar a derivada da
energia em relaccedilatildeo ao tempo
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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46
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_Parte_1pdf Acesso em 05052014
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47
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em 25052014
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
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[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
17
Ou seja a potecircncia seraacute
Como ݔ eacute uma distacircncia sua derivada em relaccedilatildeo ao tempo resulta em
uma velocidade ݒ Substituindo mais uma vez na equaccedilatildeo acima chegamos a
equaccedilatildeo abaixo
Onde ߩ eacute a densidade do ar ܣ eacute a aacuterea em metros quadrados da seccedilatildeo
transversal do cilindro e eacuteݒ a sua velocidade em ms
Poreacutem esta potecircncia foi calculada ateacute agora considerando o
aproveitamento de toda a energia cineacutetica disponiacutevel no vento o que natildeo acontece
na praacutetica Como dito anteriormente a potecircncia gerada pelas turbinas eoacutelicas
representa apenas uma fraccedilatildeo de toda a potecircncia contida no vento
Essa quantidade aproveitada eacute quantificada pelo Coeficiente de
Potecircncia Cp e o restante eacute desperdiccedilado no vento que deixa as paacutes da turbina A
figura 12 a seguir mostra a curva de eficiecircncia maacutexima teoacuterica do Cp de onde
Betz chegou aos 593 (ou 1627) como maior valor teoacuterico de Cp
Figura 12 - Curva de Eficiecircncia Maacutexima Teoacuterica
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
18
Portanto devemos incluir o termo Cp na equaccedilatildeo da potecircncia para ser
possiacutevel determinar de fato a potecircncia gerada pela turbina eoacutelica
Aleacutem do Cp os aerogeradores possuem um coeficiente associado agrave
eficiecircncia do gerador eleacutetrico transmissatildeo mecacircnica e eleacutetrica chamado ߟ
Esta potecircncia eacute entatildeo expressa da seguinte maneira
Ou substituindo a aacuterea A
Onde ߩ eacute a densidade do ar ݒ eacute a sua velocidade em ms e ܦ eacute o
diacircmetro do ciacuterculo gerado pelas paacutes em metros ܥ eacute o coeficiente de potecircncia do
rotor ou eficiecircncia da turbina e eacuteߟ o coeficiente de eficiecircncia do gerador eleacutetrico e
de outros componentes mecacircnicos da turbina eoacutelica
De acordo com a figura 13 abaixo o Cp para uma turbina de 3 paacutes com
razatildeo de velocidade 55 (Retirado da Figura 14) eacute 04 Entatildeo consideraremos que
=ߟ 675
Figura 13 - Distribuiccedilatildeo de Cp em funccedilatildeo de λ para diversos tipos de rotores
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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_Parte_1pdf Acesso em 05052014
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47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
19
Substituindo os valores
=ߩ 1225kgmsup3
=ݒ 8ms
D = 4m
=ܥ 05926
η = 0675
ηெ ா = 095
=ߟ η ηா
P = 149775 W
=ߣ
ݒ
λ = Tip-Speed Ratio (Retirado da Figura 14)
ݒ= Velocidade do Vento [ms]R = Raio do Rotor [m]ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rads]
=ߣ 55
= 22 rads = 210 rpm
σ = Solidez do Rotor = 89 (Retirado da Figura 14)
W = velocidades relativa resultante na paacute
= ඥݒଶ + (ωR)ଶ
= 447 ݏ
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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47
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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
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APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
20
23 Dimensionamento das paacutes
Os perfis aerodinacircmicos satildeo responsaacuteveis em grande parte pelo bom
desempenho dos rotores eoacutelicos uma vez que as forccedilas de sustentaccedilatildeo e arrasto
dependem da geometria do perfil Encontramos diversos perfis aerodinacircmicos
possiacuteveis mas preferimos nos basear em modelos jaacute existentes e estudados de
rotores de trecircs paacutes Pela tabela da figura abaixo [3] um perfil apropriado para um
rotor com as condiccedilotildees iniciais dadas seria algum da famiacutelia NACA 44XX
Figura 14 - Paacutes de rotores existentes
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
21
As paacutes teratildeo o perfil aerodinacircmico NACA 4418 constante ao longo da
paacute (assim como a corda e o acircngulo de passo) e seratildeo feitas a partir de um
esqueleto de accedilo riacutegido suficiente para resistir aos esforccedilos atuantes preenchido
com bloco de poliuretano por ser um material leve e resistente e seraacute coberto de
vibra de vidro devido agrave facilidade de laminaccedilatildeo durabilidade e resistecircncia
Usaremos uma haste para unir a paacute ao hub e a uma chapa de accedilo Essa
haste passaraacute por boa parte da extensatildeo da paacute para aumentar sua resistecircncia agraves
cargas aerodinacircmicas A paacute seraacute fabricada em duas partes que seratildeo coladas apoacutes
a montagem
A razatildeo entre o diacircmetro do bosso e o diacircmetro do rotor seraacute 02 [5]
Com isso e com os dados da Figura 14 podemos calcular seu tamanho de corda
atraveacutes da foacutermula da solidez
= ߨߣమ
ସ௭c = 0233 m
l = comprimento da paacute = (2 ndash 04) = 16 m
z = ndeg de paacutes = 3
Devemos escolher o acircngulo de ataque (α) da paacute O criteacuterio utilizado
para a escolha deste acircngulo foi o de se selecionar um que proporcionasse
uma boa razatildeo entre o coeficiente de sustentaccedilatildeo e o coeficiente de arrasto O
acircngulo selecionado foi o de 725deg e o seu coeficiente de sustentaccedilatildeo (Cl) eacute
igual a 115 o coeficiente de arrasto (Cd) eacute igual a 00241 [6]
O acircngulo de escoamento eacute obtido atraveacutes da foacutermula
ϕ = tanଵ(ݒ
ωR)
ϕ = 103deg
Acircngulo de Passo (β) = ϕ ndash α = 305deg
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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46
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_Parte_1pdf Acesso em 05052014
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47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
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24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
22
Figura 15 - Graacutefico Coeficiente de sustentaccedilatildeo x Acircngulo de Ataque [25]
Figura 16 - Graacutefico Coeficiente de Arrasto x Acircngulo de Ataque [25]
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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46
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[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
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[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
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2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
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47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
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[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
23
Considerando que o perfil aerodinacircmico da paacute eacute constante ao longo do
raio do rotor pode-se considerar que o torque gerado por um rotor e a forccedila axial
exercida sobre o rotor eacute
ൌ௧
ఠ= 7168 Nm
ൌݔܨ1
2ρ WଶǤݖǤ Ǥሺܥ Ǥ Ԅെݏ ǤԄሻሺെ ሻ
=ݔܨ 1542 KN
24 Esforccedilos Atuantes na Paacute
Analisando os esforccedilos atuantes nas paacutes verificou-se que as forccedilas que
atuam sobre o rotor satildeo de origem gravitacional aerodinacircmica e centriacutefuga A
figura 17 mostra o diagrama de corpo livre da paacute
Figura 17 - Diagrama de Corpo Livre da Paacute
Para os caacutelculos consideraremos a paacute como uma viga engastada e que
os maiores cargas atuam de maneira uniforme na paacute O material escolhido para a
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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Acesso em 25052014
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[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
24
haste foi o SAE 4340 recozido (tensatildeo de escoamento de 1080 Mpa) que deveraacute
ser coberto com um filme anticorrosivo e tinta devido agrave exposiccedilatildeo ao clima Foi
desconsiderada a resistecircncia da carenagem da paacute no entanto nos modelos
modernos todo esforccedilo eacute resistido pela fibra de vidro reforccedilada
Forccedila Normal na Estrutura =ଵହସଶே
ଷ= 514
Forccedila Tangencial na Estrutura =ଵ
= 1195
Largura da viga b = 40mm
Espessura da viga h = 28mm
Distacircncia do centro de massa da paacute ao eixo de rotaccedilatildeo L = 16m
Tensatildeo Normal devido agrave forccedila Normal ௭ଵߪ = ேܨ ܮ
మ
ூ= ܯ151
Tensatildeo Normal devido agrave Forccedila Tangencial ௭ଶߪ = ܨ ܮ
మ
ூ= ܯ255
Peso Proacuteprio da haste w = 05 kgfm
Tensatildeo Normal devido ao peso proacuteprio ௭ଷߪ = ݓ ଶܮ
మ
ூ= ܯ297
Tensatildeo de cisalhamento devido agrave forccedila normal ௭௫ =ி
= ܯ045
A tensatildeo cisalhante devido ao peso proacuteprio e agrave forccedila tangencial satildeo
despreziacuteveis
Utilizando a Teoria de Von Mises
ெߪ = ටߪଶ + 3
ଶ = 15622 Mpa
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙೇಾ=
ଵ
ଵହଶଶ= 691
Deflexatildeo na paacute =ߜ ேܨ య
ଷாூ= 1136 cm
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
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46
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Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
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_Parte_1pdf Acesso em 05052014
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[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
25
25 Sistema de Frenagem
Foi especificado um freio de emergecircncia para impedir que a turbina
continue funcionando com velocidades de vento muito superiores a de projeto O
freio seraacute acoplado no eixo de alta rotaccedilatildeo Foi desconsiderado o tempo de
frenagem por natildeo ser relevante
Foi escolhido um freio eletromagneacutetico do fabricante Mayr e
especificado como o ROBA-stop 150m O cataacutelogo utilizado para esta seleccedilatildeo
encontra-se no Anexo II
O freio funciona atraveacutes de um campo eletromagneacutetico que separa dois
discos que giram livremente (freio natildeo acionado) quando esse campo eacute desfeito
os discos se aproximam e pelo atrito entro os discos o sistema comeccedila a parar de
rodar (freio acionado)
Figura 18 - Corte do Freio
A seleccedilatildeo desse freio se baseou nas condiccedilotildees de torque do sistema e
rotaccedilatildeo do eixo Foi adicionado um fator de seguranccedila de valor 2 e selecionou-se
um freio superior ao necessaacuterio
O suporte do freio seraacute feito de accedilo 1020 que seraacute coberto por um filme
anticorrosivo e tinta
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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46
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47
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
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24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
26
26 Gerador
A funccedilatildeo dos geradores eacute converter a energia mecacircnica em energia
eleacutetrica
Para este projeto foi selecionado um gerador que funcionasse com a
potecircncia disponiacutevel de projeto Optou-se pelo motor trifaacutesico de induccedilatildeo W22
Quattro da marca brasileira WEG 4 poacutelos ndash 15kW (1800RPM) 220380V e 60
Hz de frequecircncia
Dados adicionais podem ser encontrados na folha de dados do motor
no Anexo II
27 Engrenagens
Primeiramente vamos dimensionar as engrenagens Em nossa turbina
eoacutelica utilizaremos um variador de velocidades em dois estaacutegios Nos dois
estaacutegios seraacute utilizada a mesma razatildeo de transmissatildeo para que os pares de
engrenagens sejam iguais facilitando a compra ou fabricaccedilatildeo destes
Primeiramente deve-se estabelecer a razatildeo de transmissatildeo ideal que
possibilite o uso de pares de engrenagens iguais
= ඨ
= 2928
= Frequecircncia de saiacuteda desejada = 1800 rpm
= Frequecircncia na coroa 1 = 210 rpm
Conforme recomendaccedilatildeo [1] o nuacutemero miacutenimo de dentes para o pinhatildeo
eacute 18 e para coroa 12 assim como o moacutedulo do erro entre as rotaccedilotildees teoacutericas e
reais natildeo deve ultrapassar 2
Escolheremos a razatildeo de transmissatildeo 31 pois com a razatildeo de
transmissatildeo ideal encontrada natildeo eacute possiacutevel obter um nuacutemero de dentes inteiro
i = 3
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
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[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
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Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
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[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
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47
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[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
27
Nuacutemero de dentes escolhido para o pinhatildeo (zp) = 20
Nuacutemero de dentes para a coroa (zc) = 60
m = 1mm (moacutedulo)
Foi definido que as engrenagens seratildeo ciliacutendricas de dentes retos com
acircngulo de pressatildeo de 20deg Os dentes seratildeo fabricados pela operaccedilatildeo de
fresamento e depois sofreratildeo um acabamento retificado A temperatura de
trabalho eacute inferior a ܥ120deg confiabilidade de 95 e ciclo de vida maior que 10
ciclos O coeficiente de seguranccedila escolhido foi =ܥ 4 jaacute que a recomendaccedilatildeo eacute
de que 3 le ܨ le 5 [1]
O dimensionamento levaraacute em consideraccedilatildeo trecircs criteacuterios criteacuterio da
AGMA criteacuterio de falha por fadiga e criteacuterio de desgaste superficial
A fim de facilitar a fabricaccedilatildeo todas as engrenagens seratildeo fabricadas
com o mesmo material
Material escolhido = Accedilo 1030 Temperado e Revenido
௨ =848 Mpa
௬ =648 Mpa
ܤܪ = 495
Criteacuterio da AGMA
ௗߪ =௬
ܥ=
648
4= ܯ162
Interpolando na tabela 2 Anexo I para z୮ = 20 e zୡ = 60 J =
036012
ଵ= ∙ =ݖ 1 ∙ 60 = 60
ଶ= ∙ =ݖ 1 ∙ 20 = 20
=ߨ ∙
ݖ=ߨ ∙ 20
20= 314
=ݒ ߨ ∙ ∙ =ߨ ∙ 20 ∙ 630
60 ∙ 1000= 126 ݏ
௧ =
ݒ=
157632
126= 125105
௩ܭ =50
50 + radic200 ∙ ݒ=
50
50 + radic200 ∙ 126= 076
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
28
Recomendaccedilatildeo 3 ∙ ge ܨ le 5 ∙
Largura de face escolhida =ܨ 15
ெߪ = ௧
௩ܭ ∙ ∙ ∙ܬ ܨ=
125105
076 ∙ 1 ∙ 036012 ∙ 15= ܯ30474
Fator de Seguranccedila FS =ఙ
ఙಲಸಾ ಲ= 28
Criteacuterio de falha por fadiga
= ௧
௩ܭ ∙ ܨ ∙ ∙ ܬ=
125105
076 ∙ 15 ∙ 1 ∙ 036012= ܯ30474
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
3 Anexo I Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 848ହ = 089
Conforme tabela 4 Anexo I para moacutedulos 1 le le 2
= 1
Conforme tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 95
= 0868
De acordo com a recomendaccedilatildeo para temperaturas inferiores a ܥ350deg
ௗ = 1 [7]
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees jaacute estaacute incluiacutedo no fator de forma
ܬ portanto
= 1 [7]
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens que giram em um uacutenico
sentido de rotaccedilatildeo
=2
1 + ൬700
௨൰
=2
1 + ቀ700848ቁ
= 133
Como ௨ lt ܯ1400
ᇱ= 05 ∙ ௨ = 05 ∙ 848 = ܯ424
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ∙ ᇱ= 089 ∙ 1 ∙ 0868 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 133 ∙
424 = ܯ436
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
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Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
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Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
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[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
29
=
=
436
30474= 143
Conforme tabela 6 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܭ = 1
Conforme tabela 7 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura do
dente ܨ lt 50
ெܭ = 13
Entatildeo
=
ܭ ∙ ܭ=
143
1 ∙ 13= 11
ܥ ௦௧ =௬
∙ ܭ ∙ ܭ=
648
30474 ∙ 1 ∙ 13= 17
ܥ ௗ =2 ∙ ∙ ௨
൫ + ௨൯∙ ∙ ܭ ∙ ܭ=
2 ∙ 436 ∙ 848
(436 + 848) ∙ 305 ∙ 1 ∙ 13= 145
Criteacuterio de desgaste superficial
Conforme a tabela 8 Anexo I para pinhatildeo e coroa fabricados de accedilo
ܥ = 191
ܥ =78
78 + radic200 ∙ ݒ=
78
78 + radic200 ∙ 126= 083
=ܫߠݏ ∙ ߠݏ
2∙
+ 1=
deg20ݏ ∙ deg20ݏ
2∙
3
3 + 1= 012
ு = ܥ ∙ ටௐ
ೇ ∙ி∙ௗ∙ூ= 191 ∙ ට
ଵଶହଵହ
ଷ∙ଵହ∙ଶ∙ଵଶ= ܯ94407
= 276 ∙ ܤܪ minus 70 = 276 ∙ 495 minus 70 = 129620
Conforme recomendaccedilatildeo [7] para engrenagens de dentes retos
ுܥ = 1
Para temperaturas le 120 [7]
ܥ = 1
Conforme tabela 9 Anexo I para ciclo de vida maior ou igual a 10
ܥ = 1
Conforme tabela 10 Anexo I para confiabilidade de 95
ோܥ = 080
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
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Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
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Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
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Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
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[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
30
ு = ∙ܥ ∙ ுܥܥ ∙ ோܥ
= 129620 ∙1 ∙ 1
1 ∙ 080= 162025
=ு
ு=
162025
94407= 172
Conforme tabela 11 Anexo I para forccedila motriz uniforme e maacutequina
movida uniforme
ܥ = 1
Conforme tabela 12 Anexo I para forccedila montagem acurada e largura
do dente ܨ lt 50
ெܥ = 13
Entatildeo
=
ܥ ∙ ܥ=
172
1 ∙ 13= 133
ܥ ௦௨ =ு
ு ∙ ܥ ∙ ܥ=
162025
94407 ∙ 1 ∙ 13= 132
28 Eixos
Apoacutes o dimensionamento das engrenagens com a largura da face e as
cargas atuantes em cada uma delas conhecida podemos estimar o comprimento de
cada eixo calcular os esforccedilos e o diacircmetro miacutenimo recomendado
Com auxilio do software FTool para calcular os momentos fletores e as
cortantes atraveacutes do criteacuterio de Sodeberg determinou-se o diacircmetro miacutenimo iacute
dos eixos conforme equaccedilatildeo a seguir
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
Onde ܯ aacute௫ eacute o momento fletor maacuteximo e eacute o torque transmitido pelo
eixo
O coeficiente de seguranccedila escolhido conforme recomendaccedilatildeo [7] foi
=ܥ 15 A confiabilidade desejada seraacute de 99 Aleacutem disso a fim de facilitar a
fabricaccedilatildeo todos os eixos seratildeo fabricados com o mesmo material que possui as
seguintes propriedades
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
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[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
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[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
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[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
31
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = 4340ccedilܣ ݎ ݒ
௨ =1720 Mpa
௬ = 1590 Mpa
ܤܪ = 486
∆
= 10
Determinaccedilatildeo do diacircmetro miacutenimo do eixo de entrada
O eixo de entrada recebe as cargas aerodinacircmicas peso do hub das paacutes
e a carga proveniente da primeira coroa Os caacutelculos seratildeo feitos considerando o
pior caso (eixo sendo freado mas sua velocidade angular se manteacutem constante)
O peso do hub foi estimado como 120N e o peso de cada paacute como
250N
Para calcular as tensotildees atuantes foi utilizado o princiacutepio da
superposiccedilatildeo
O primeiro caso foi modelado como uma viga bi apoiada com carga de
balanccedilo Foram consideradas as cargas oriundas dos pesos do hub (estimado como
120N) e das paacutes (estimado como 250N cada uma)
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
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[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
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[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
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46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
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Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
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[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
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[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
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[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
32
Figura 19 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 1
No segundo caso seraacute considerada a carga proveniente da coroa 1
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
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Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
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[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
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Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
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Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
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Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
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_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
33
Figura 20 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o caso 2
Foi calculado o momento fletor combinado na seccedilatildeo da coroa e na
seccedilatildeo do mancal
Momento fletor na seccedilatildeo da coroa = -79322 Nm
Momento fletor na seccedilatildeo do mancal = -168672 Nm
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
34
Em funccedilatildeo do diacircmetro da seccedilatildeo criacutetica foram feitos os caacutelculos para atensatildeo meacutedia equivalente e para a amplitude de tensatildeo equivalente Apoacutes algumasmanipulaccedilotildees geomeacutetricas chegou-se agraves equaccedilotildees simplificadas
Tensatildeo meacutedia simplificada ߪ = ܯ ଵradicଷ
గଷ
Tensatildeo de amplitude simplificada ߪ = ଵܨ ଷଶ
గௗయ
Criteacuterio de Sodeberg
Fator de acabamento superficial -
Para acabamento retificado = 158 e = minus0085 conforme tabela
[7] Entatildeo
= ∙ ௨ = 158 ∙ 1720ହ = 084
Fator de dimensatildeo -
Conforme recomendaccedilatildeo [1] para diacircmetros 279le le 51
= 124 ∙ ଵ
Poreacutem o diacircmetro do eixo ainda natildeo eacute conhecido entatildeo o fator de
dimensatildeo foi estimado em = 090 e a seguir calculado apoacutes conhecido o
diacircmetro miacutenimo do eixo
= 124 ∙ ଵ = 124 ∙ 25ଵ = 088
O valor encontrado eacute muito proacuteximo do estimado
Fator de confiabilidade -
Conforme tabela Tabela 5 Anexo I para confiabilidade de 99
= 0814
Fator de temperatura - ௗ
De acordo com a recomendaccedilatildeo [7] para temperaturas inferiores a
ܥ350deg
ௗ = 1
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
35
Fator de concentraccedilatildeo de tensotildees -
O fator de concentraccedilatildeo de tensotildees eacute calculado da seguinte forma
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)
Onde ݍ eacute a sensitividade ao entalhe e ௧ eacute um outro fator de
concentraccedilatildeo de tensotildees
De acordo com as tabelas 13 e 14 Anexo I respectivamente =ݍ 09 e
௧ = 15 entatildeo
=1
1 + ݍ ∙ ( ௧minus 1)=
1
1 + 09 ∙ (15 minus 1)= 069
Limite de enduranccedila - ᇱ
Como ௨ gt ܯ1400
ᇱ= ܯ700
Entatildeo
= ∙ ∙ ∙ ௗ ∙ ∙ ᇱ= 084 ∙ 090 ∙ 0814 ∙ 1 ∙ 069 ∙ 700
= ܯ29664
E
iacute = ඩ32 ∙ ܥ
ߨ∙ ඨ(
ܯ aacute௫
)ଶ + (
௬)ଶ
మయ
= 24216
A forccedila criacutetica para o iniacutecio da flambagem eacute muito alta entatildeo concluiu-
se que a flambagem natildeo eacute um fator de risco ao eixo
Eixo Intermediaacuterio e Eixo de Saiacuteda
De maneira anaacuteloga as demonstradas acima foram feitos caacutelculos para a
determinaccedilatildeo dos eixos intermediaacuterios e de saiacuteda
Para o eixo intermediaacuterio considerou-se que o eixo suporta o pinhatildeo 1
e a coroa 2
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
36
Para o eixo de saiacuteda considerou-se os esforccedilos oriundos do pinhatildeo 2
Os diagramas com os esforccedilos estatildeo no Apecircndice A
Diacircmetro Criacutetico do eixo Intermediaacuterio 15132 mm
Diacircmetro Criacutetico do eixo Saiacuteda 13367 mm
Por questotildees geomeacutetricas utilizaremos eixos de 25mm no eixo de
entrada e saiacuteda No eixo intermediaacuterio utilizaremos 20mm
Depois vamos calcular a espessura recomendada da caixa de
engrenagem As paredes da caixa seratildeo fundidas em ferro A espessura
recomendada [2] depende de um fator calculado da seguinte maneira
=2 ∙ + + ℎ
3
Onde l eacute o comprimento b a largura e h a altura da fundiccedilatildeo em metros
Com todos os elementos principais dimensionados foram calculadas as
dimensotildees de fundiccedilatildeo
l=0150 m
b=0270 m
h=0260 m
Entatildeo
=2 ∙ + + ℎ
3=
2 ∙ 0150 + 0270 + 0260
3= 028
De acordo com a tabela 1 Anexo I para caixas fundidas de ferro
com = 028 a espessura recomendada eacute aproximadamente = 7 Para as
paredes internas fundidas para os mancais a recomendaccedilatildeo [2] eacute que tenham a
espessura de 70 a 90 da parede externa por isso foi escolhido para as paredes
internas ௧ = 5
Para a fixaccedilatildeo axial das engrenagens seratildeo utilizados aneacuteis de retenccedilatildeo
Foram selecionados de acordo com a norma DIN 471 Fabricados em accedilo mola
beneficiado com acabamento fosfotizado No projeto seratildeo utilizados aneacuteis de
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
37
retenccedilatildeo de diacircmetros internos 20 e 25 de acordo com o eixo em que
seratildeo fixados
No Anexo III encontram-se as dimensotildees a serem consideradas segundo
a norma DIN 471
Figura 21 - Dimensotildees consideradas dos aneacuteis de retenccedilatildeo
29 Chavetas
Todas as chavetas seratildeo fabricadas do mesmo material
ݐܯ ݎ ݏ ℎ = ܫܣccedilܣ ܮ1020ܫ
௨ =203351 Mpa
௬ = 353039 Mpa
As quatro chavetas do variador de velocidade seratildeo iguais e foram
dimensionadas com base na que sofreraacute o maior esforccedilo
Elas foram dimensionadas segundo a norma NBR 6375
Os dados das chavetas foram retirados da tabela 15 no anexo I
Seraacute calculado o coeficiente de seguranccedila de compressatildeo ܥ e
cisalhamento ܥ ௦
Para a compressatildeo sabe-se que
ߪ =ସ∙
ௗ∙௧∙= 18765 MPa
ௗߪ =ௌ
ௌ =18778MPa
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
38
=ݐ 4 (altura do rasgo de chaveta no eixo)
=ܮ 8 (comprimento da chaveta)
Aleacutem disso para garantir a seguranccedila do projeto
ߪ le ௗߪ
Entatildeo
ܥ =ௌ∙ௗ∙௧∙
ସ∙= 188
E para o cisalhamento
௦ =ଶ∙
ௗ∙∙= 938 MPa
ௗ =ହ∙ௌ
ௌೞ=9392MPa
= 8mm (largura da chaveta)
Da mesma forma para garantir a seguranccedila do projeto
௦ le ௗ
De maneira anaacuteloga
ܥ ௦ =ହ∙ௌ∙ௗ∙∙
ଶ∙=217
As chavetas dos acoplamentos flangeados tiveram suas dimensotildees
apropriadas para os rasgos jaacute existentes nos freios e gerador e foram
mantidas
210 Rolamentos
Neste projeto foram utilizados rolamentos nos eixos e entre a nacelle e
a torre de sustentaccedilatildeo Todos da marca SKF
O criteacuterio de escolha foi a partir da dimensatildeo do eixo em que eles se
encontram
Nos eixos foram utilizados o rolamento 22205 E autocompressor de
rolos acompanhado por mancais SNL vedados que satildeo projetados para resistirem
aos mesmos esforccedilos dos rolamentos e fabricados de ferro fundido Esse
rolamento eacute capaz de suportar elevadas cargas radiais e tambeacutem cargas axiais
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
39
Tambeacutem foram utilizados os rolamentos SKF 6004 e 6005 riacutegido de esferas uma
carreira
Entre a torre e a nacelle foram utilizados dois rolamentos cocircnicos
modelos 30219 J2 e 30319
As dimensotildees dos rolamentos encontram-se no Anexo II
211 Nacele
A nacele seraacute bipartida e fabricada em fibra de vidro de modo a permitir
que ao se encaixar as duas partes uma extremidade na parte posterior de cada uma
fique posicionada lado a lado com 4 furos comuns para que sejam parafusados
junto a haste da cauda (para isso as faces em contato deveratildeo possuir um rasgo e
uma saliecircncia para permitir o encaixe das duas metades) feita de accedilo AISI 1035
(seraacute explicado mais a frente) fechando assim a nacele
O design da nacele foi elaborado pensando em simplificar as montagens
dos componentes mecacircnicos e tambeacutem para facilitar a manutenccedilatildeo
212 Hub
A principal funccedilatildeo do hub eacute conectar as paacutes da turbina ao eixo de
rotaccedilatildeo Para a construccedilatildeo do hub utilizaremos accedilo AISI 1035 forjado
O hub seraacute fixado agraves paacutes e a uma chapa tambeacutem de accedilo 1035 forjado
por meio de 3 parafusos O hub teraacute 200 mm de diacircmetro
Seu design foi inspirado na Whisper 100 Um dos modelos de
aerogerador de pequeno porte mais vendidos do mundo
Figura 22 ndash Hub da Whisper 100 [27]
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
40
213 Torre de Sustentaccedilatildeo
A torre de sustentaccedilatildeo teraacute que sustentar todos os componentes do sistema
colocando-os a uma altura de 12 metros acima do solo A carga atuante na torre
seraacute o peso dos elementos acima dela
Para a construccedilatildeo da torre foi escolhido um tubo de accedilo 1030 recozido que
seraacute coberto com um filme anticorrosivo e tinta Os flanges seratildeo soldados em
ambas as extremidades Seu diacircmetro externo seraacute de 180 mm e o interno de 160
mm
Demonstrada abaixo estaacute a Teoria de Euller para a flambagem para
verificar se estas dimensotildees satildeo admissiacuteveis
= 160
= 180
ݎݐܨ iacuteݒ ݑ )ݏ ) = 025
Momento de ineacutercia I = ߨ(ௗ
రௗర)
ସ= 194x10 ସ
Aacuterea da seccedilatildeo transversal A = ߨ(ௗ
మௗమ)
ସ= 534x10ଷ ଶ
Altura da Torre (h) = 12m
Raio de Giraccedilatildeo (ߩ) = ටூ
= 60mm
Moacutedulo de Elasticidade (E) = 207 GPa
Forccedila criacutetica = ܧଶߨ
ቀ
ഐቁమ = 68x10ସ N
Peso da turbina (estimado) ܨ = 2700
Coeficiente de Seguranccedila
ଶ= 2518
Seratildeo soldados ldquodegrausrdquo a cada 30cm conforme recomendado por
norma Esses degraus possuiratildeo 50mm de diacircmetro e 200mm de comprimento
Esses degraus estaratildeo aiacute para quando precisar ser feita qualquer tipo de
manutenccedilatildeo na turbina Haveraacute uma espeacutecie de plataforma para que o responsaacutevel
pela manutenccedilatildeo se posicione melhor para realizar o serviccedilo Ambos seratildeo de accedilo
AISI 1030 Os degraus deveratildeo ser revestidos com material anti-deslizante
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
41
A primeira parte da torre teraacute 25m a segunda parte 6m e terceira parte da
torre teraacute 31m Os outros 04m seratildeo do sistema de posicionamento que seraacute
explicado a seguir Todas teratildeo um parafuso do tipo olhal para ajudar no
iccedilamento As dimensotildees do olhal encontram-se no Anexo II
A torre possuiraacute uma base retangular com dois furos para a fixaccedilatildeo desta
ao solo atraveacutes de dois pinos A fixaccedilatildeo da torre na base seraacute feita por intermeacutedio
de um suporte ciliacutendrico como mostrado na figura 23 Esta forma de fixaccedilatildeo
permite agrave torre girar ateacute 180ordm no plano perpendicular ao da base facilitando a
montagem do conjunto
Figura 23 - Modo de Iccedilamento
Figura 24 - Base da Torre
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
42
214 Sistema de Guinada
Para que a turbina fique sempre alinhada ao vento foi introduzido o
sistema de Guinada composto pela cauda pelo tubo de fixaccedilatildeo e por um
mecanismo
O dimensionamento da cauda e da haste foi baseado em recomendaccedilotildees
da ldquoWindy Nationrdquo utilizadas em aerogeradores horizontais de pequeno porte
A primeira recomendaccedilatildeo eacute que a aacuterea da cauda possua de 5 a 10 da
aacuterea total molhada No nosso caso
Aacuterea molhada = Ǥߨమ
ସൌ ͳʹ ǡͷ
Entatildeo eacute recomendado que nossa causa possua algo entre 062msup2 e
125msup2
Uma outra recomendaccedilatildeo eacute a distacircncia entre 13 da corda da cauda e o
eixo da torre Ela deve ter 60 do diacircmetro do rotor (Veja a figura 25 abaixo)
No nosso caso ܮ ௗௗ = 4 x 06 = 24m
Figura 25 - Dimensionamento haste e cauda
O design e a fixaccedilatildeo da haste e da cauda tambeacutem foram inspirados no
aerogerador Whisper 100
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
43
Figura 26 - Haste e cauda do Whisper 100 [27]
A fixaccedilatildeo e o material da haste e da cauda jaacute foram explicados
anteriormente
Aleacutem da cauda e da haste foi projetado um mecanismo que ficaraacute entre
a torre e a nacelle que com a ajuda de rolamentos cocircnicos jaacute especificados
anteriormente ajudaratildeo no alinhamento do aerogerador com o vento
Este mecanismo seraacute bipartido Haveraacute um eixo vazado ( =
25 = 55 ) de accedilo AISI 304 recozido em seu interior para que os fios
passem
De maneira anaacuteloga aacute mostrada anteriormente foi calculado o
coeficiente de seguranccedila do eixo escolhido modelando-o como uma viga bi-
apoiada com carga concentrada na extremidade em balanccedilo e a forccedila atuante
sendo a forccedila aerodinacircmica normal O modelo estrutural simplificado foi feito no
programa FTool A partir de sua anaacutelise foi possiacutevel calcular as reaccedilotildees nos
mancais e o momento fletor maacuteximo Depois calculamos o momento de ineacutercia a
aacuterea da seccedilatildeo transversal as tensotildees normal cisalhante e de Von Mises Com isso
encontramos um coeficiente de seguranccedila de 577
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
44
3 CONCLUSAtildeO
A energia eoacutelica eacute a forma de eletricidade que pode satisfazer todas as
vaacuterias necessidades energeacuteticas de uma economia moderna Abundante
inesgotaacutevel e barato o vento prenuncia tornar-se a base da nova economia
energeacutetica
A implantaccedilatildeo do uso de energia eoacutelica depende unicamente do
crescimento tecnoloacutegico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos
relativos agrave manutenccedilatildeo diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das
turbinas eoacutelicas
Os custos relativos agrave implantaccedilatildeo de fontes de energia eoacutelica estatildeo em
um decliacutenio gradativo visto que um em curto espaccedilo de tempo podem ser
implantadas em todas as populaccedilotildees de pequeno porte suprindo as necessidades
de condomiacutenios e pequenos lugarejos onde a demanda de energia natildeo seja muito
acessiacutevel
O projeto teve como principais objetivos o dimensionamento de
componentes mecacircnicos de um aerogerador e mostrar seus esquemas de
montagem Foram realizados caacutelculos em todos os pontos considerados criacuteticos e
utilizados os coeficientes de seguranccedila mais adequados para cada situaccedilatildeo
Foi utilizada a relaccedilatildeo no conjunto de engrenagens que atendesse as
necessidades do gerador e se encaixando na curva de e rotaccedilatildeo obtendo um bom
rendimento
O resultado encontrado cumpriu com todas as exigecircncias para o projeto
de um aerogerador com vida superior a 20 anos
Ao longo da vida do aerogerador ele teraacute que passar por revisotildees
rotineiras pois apesar dos caacutelculos podem estar presentes falhas nos materiais
assim necessitando de alguma manutenccedilatildeo
Poderatildeo ser utilizados tambeacutem equipamentos de monitoramento tais
como anemocircmetros (velocidade do vento) e strain gages (stress nos matriais)
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
45
A oportunidade de se trabalhar neste projeto foi de suma importacircncia
para a minha formaccedilatildeo como engenheiro tendo em vista que pude colocar em
praacutetica os conhecimentos aprendidos ao longo do curso de engenharia mecacircnica
Aleacutem disto pude vivenciar as dificuldades e desafios que surgem ao longo de um
projeto de engenharia as quais muito contribuiacuteram para meu amadurecimento
como engenheiro
4 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
[1] Shigley Joseph E Mischke Charles R Budynas Richard G Projeto de
Engenharia Mecacircnica 7ordf ed 2005
[2] Reshetov DN Atlas de construccedilatildeo de maacutequinas volumes I II e III
1979
[3] HAU Erich ldquoWind Turbines ndash Fundamentals Technologies Aplication
Economicsrdquo 2ordf ediccedilatildeo Reino Unido 2005
[4] Norton RL Projeto de Maacutequinas ndash Uma abordagem integrada 2004
[5] De Marco Flaacutevio F ldquoProjeto Preliminar de Aerogeradoresrdquo Tese de
Mestrado UFRJ Rio de Janeiro 1989
[6] ABBOT Ira H e DOEHOFF Albert E Von ldquoTheory of Wing
Sectionsrdquo 1ordf ediccedilatildeo Dover New York EUA 1959
[7] De Marco Flaacutevio Notas de aula de Elementos de Maacutequina I e II
Departamento de Engenharia mecacircnica UFRJ
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
46
[8] SILVA P C ldquoSistema para tratamento Armaenamento e Disseminaccedilatildeo
de Dados de Ventordquo Dissertaccedilatildeo de mestrado UFRJ Rio de Janeiro
[9] FOX R W MCDONALD A T PRITCHARD P J ldquoIntroduccedilatildeo a
Mecacircnica dos Fluidosrdquo LTC Sexta Ediccedilatildeo
[10] SAVONIUS S J ldquoThe S-Rotor and its applicationsrdquo Mechanical
Engineering 1931
[11] BRAGA SL Anaacutelise Experimental e Simulaccedilatildeo de Desempenho de
Rotores Eoacutelicos do Tipo Darrieus Dissertaccedilatildeo de mestrado Departamento de
Engenharia Mecacircnica PUC-Rio Rio de Janeiro Junho de 1981
[12] A FLETTER ldquoThe Story of the Rotorrdquo FO Willhoft 1926
[13] GJM DARRIEUS ldquoTurbine Having its Rotating Shaft Transverse to the
Flow of the Currentrdquo United States Potent No 1835 1931
[14] MANWELL F MCGOWAN J ROGERS A ldquoWind Energy
Explained Theory Design and Applicationrdquo John Wiley amp Sons Chichester
2002
[15] BURTON T SHARPE D JENKINS N BOSSANYI E ldquoWind
Energy Handbookrdquo John Wiley amp Sons Chichester 2001
[16] GASCH R TWELE J ldquoWind Power Plants Fundamentals Design
Construction and Operation Solarpraxis AG Berlin 2002
[17] SPERA D ldquoWind Turbine Technology Fundamental Concepts of Wind
Turbine Engineering 2 Ed ASME New York 2009
[18] httpecatalogwegnet Acesso em 15042014
[19] httpwwwadinelsacompefilespublicacionesEnergia_Eolica_-
_Parte_1pdf Acesso em 05052014
[20] httpwwwskfcom Acesso em 20052014
[21] httpwwwgwecnet Acesso em 16072014
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
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300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
47
[22] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlasenergia_eolica6_2htm Acesso
em 25052014
[23] httpwwwaneelgovbraplicacoesatlaspdf06-energia_eolica(3)pdf
Acesso em 25052014
[24] httpwwwmmagovbrclimaenergiaenergias-renovaveisenergia-
eolica Acesso em 23062014
[25] httpairfoiltoolscomairfoildetailsairfoil=naca4418-il Acesso em
24052014
[26] wwwmayrdeenglishdefaulthtm Acesso em 18062014
[27] httppdfwholesalesolarcomwind20pdf20folderwhisper100_Manu
alpdf Acesso em 09082014
APEcircNDICE A ndash Diagramas para dimensionamento dos eixos
Na Figura 27 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos no eixo intermediaacuterio
48
Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
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A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
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44
DE
TA
LH
EB
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11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
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Figura 27 - Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo intermediaacuterio
Na Figura 28 encontram-se o diagrama de corpo livre (modelo
estrutural simplificado) e os diagramas de esforccedilos do eixo de saiacuteda
49
Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
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A1
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A A
D
D
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12000
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LH
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DE
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Figura 28 ndash Forccedilas atuantes e diagramas de esforccedilos cisalhante e momento fletor para o eixo de saiacuteda
ANEXO I ndash TABELAS
Tabela 1 ndash Graacutefico de orientaccedilatildeo para escolha de espessuras de paredes de fundiccedilatildeo [2]
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
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A1
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A A
D
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12000
2000
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17
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DE
TA
LH
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DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
50
Tabela 2 - Dimensotildees dos perfis dos canais [7]
Tabela 3 - Valores de Fator de forma da AGMA ndash J (θ = 20ordm) [7]
51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
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20
SE
CcedilAtilde
OA
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A A
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12000
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DE
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EB
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DE
TA
LH
EC
ES
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LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
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51
Tabela 4 - Valores para o fator de acabamento superficial - [7]
Tabela 5 - Valores para o fator de tamanho e dimensatildeo - [7]
52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
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B
C
12000
2000
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DE
TA
LH
EB
ES
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DE
TA
LH
EC
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DE
TA
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EE
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CA
LA
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52
Tabela 6 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
53
Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
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2
A A
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12000
2000
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DE
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DE
TA
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Tabela 7 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
Tabela 8 - Valores para o fator de distribuiccedilatildeo de carga ao longo do dente - [7]
54
Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
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ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
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ES
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LA
1
20
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CcedilAtilde
OA
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DE
TA
LH
EC
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LA
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DE
TA
LH
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LA
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Tabela 9 - Valores para o coeficiente elaacutestico - [7]
Tabela 10 - Valores para o fator de correccedilatildeo para a vida da engrenagem - [7]
Tabela 11 - Valores para o fator de confiabilidade - [7]
Tabela 12 - Valores para o fator de correccedilatildeo de sobrecarga - [7]
55
Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
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57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
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SE
CcedilAtilde
OD
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ES
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CcedilAtilde
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Tabela 13 - Carta de sensitividade ao entalhe ndash [1]
Tabela 14 ndash Carta de fatores teoacutericos de concentraccedilatildeo de tensatildeo - [1]
Tabela 15 ndash Dimensotildees e Toleracircncias para rasgos de chaveta [1]
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
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A A
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DE
TA
LH
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CA
LA
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DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
56
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
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C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
57
ANEXO II ndash COMPONENTES E ACESSOacuteRIOS MECAcircNICOS
FREIO
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
58
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
59
MOTOR ELEacuteTRICO
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
60
ROLAMENTOS
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
61
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
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DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
62
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
63
PARAFUSO OLHAL
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
64
ANEacuteIS DE RETENCcedilAtildeO
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
65
ANEXO III ndash DESENHOS TEacuteCNICOS
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11
ES
CA
LA
12
SE
CcedilAtilde
OD
-D
ES
CA
LA
12
ES
CA
LA
1
20
SE
CcedilAtilde
OA
-AE
SC
AL
A1
2
A A
D
D
E
B
C
12000
2000
12
00
17
40
300
44
DE
TA
LH
EB
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EC
ES
CA
LA
11
DE
TA
LH
EE
ES
CA
LA
11