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José Santiago Toro Rivera

Título

Aerodinâmica do Sistema Torre - Turbina Eólica de Eixo Horizontal


Orientador(es)

Michèle Schubert Pfeil


Resumo

O comportamento aerodinâmico do sistema acoplado aerogerador – torre é um dos aspectos a serem previstos no projeto destas estruturas nos casos em que se espera ressonância pela proximidade entre frequências naturais das pás, da torre e frequência de rotação e seus superharmônicos. Este tema é abordado no presente trabalho por meio de um modelo analítico-numérico que contempla um grau de liberdade discreto para vibração da torre e dois graus de liberdade para cada uma das pás do aerogerador de eixo horizontal consideradas como hastes rígidas em vibração em torno de dois eixos para representar os movimentos em flap e lag. As equações diferenciais parciais que governam o movimento do sistema acoplado sujeito a forças aerodinâmicas são formuladas usando o principio de Hamilton, e posteriormente essas equações são desenvolvidas com o auxílio da álgebra simbólica e integradas numericamente no domínio do tempo pelo método de Runge Kutta de quarta ordem. Este desenvolvimento foi empregado em trabalhos anteriores, e foi agora ampliado para considerar, entre outros, os efeitos do gradiente da velocidade média do vento com a altura, a variação da dimensão da corda da pá, o efeito da sombra e o momento do empuxo das pás que impõe flexão na torre. Estes efeitos foram avaliados em análises dinâmicas de um rotor isolado e de um sistema acoplado torre-aerogerador de pequeno porte para o qual foram realizadas comparações teórico-experimentais que conduziram a resultados satisfatórios.

 

Palavras-chave: turbina eólica de eixo horizontal; modelo aeroelástico; teoria do elemento de pá; forças aerodinâmicas; dinâmica estrutural; velocidade do vento; principio de Hamilton.


Abstract

 

The aerodynamic behavior of the tower - wind turbine coupled system is one of the issues to be predicted in the design of these structures whenever resonance is expected due to the proximity of natural frequencies of vibration of the blades, the tower and the frequency of rotation and its superharmonics. This subject is addressed through an analytical-numerical model which considers a vibration bending mode of the tower and two degrees of freedom for each blade. The partial differential equations that govern the motion of the coupled system subjected to aerodynamic loads are formulated using the Hamilton principle, and later, these equations are developed with the help of symbolic algebra, and numerically integrated through the Runge – Kutta method. This development, employed in previous works, was now enlarged to consider, among others, the effects of the wind shear, the variation of the blade chord, the shadow effect and the moment of the blades thrust generating flexure in the tower. These effects were estimated through dynamic analyses of an isolated rotor and of a tower – small wind turbine coupled system for which experimental measurements are available. Comparisons between theoretical and experimental results showed satisfactory correlations.

 

Keywords: horizontal axis wind turbine; aeroelastic model; blade element theory; aerodynamic forces; structural dynamics; wind velocity; Hamilton principle.

 


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