Lucas Teotônio de Souza

Título

ASPECTOS DO COMPORTAMENTO AERODINÂMICO DE TURBINAS EÓLICAS DE EIXO HORIZONTAL

Orientador(es)

Michèle Schubert Pfeil
Ronaldo Carvalho Battista

 

Resumo

As turbinas eólicas, em instalação onshore ou offshore, ficam expostas aos efeitos de vento da camada limite atmosférica, tais como a turbulência. O cálculo analítico das forças aerodinâmicas atuantes no rotor é usualmente desenvolvido pela teoria clássica BEM (Blade Element Momentum), considerando a velocidade do vento constante ao longo do tempo. Para avaliação dos efeitos da turbulência do vento, é necessário efetuar análises dinâmicas do sistema acoplado rotor-torre-fundações. Com este objetivo este trabalho apresenta e discute os resultados de um estudo do comportamento dinâmico estrutural de uma turbina eólica onshore de eixo horizontal de grande porte obtidos com o auxílio das ferramentas computacionais FAST e TurbSim, desenvolvidas pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável, EUA. Considera-se a influência do efeito tridimensional na ponta das pás, bem como a existência dos ângulos de inclinação do plano do rotor no cálculo das forças aerodinâmicas aplicadas no eixo do rotor. São analisadas diversas condições de camada limite especificadas por normas de projeto em situações de estado limite último (ELU) e realizados estudos paramétricos de interesse, tais como o efeito do acoplamento dinâmico rotor-torre, a avaliação da regularidade estatística dos campos de velocidade de vento gerados e a contribuição das forças de vento aplicadas à torre na resposta da estrutura. As respostas de pico, obtidas por pós-processamento de dados, são calculadas pelo método do fator de rajada, proposto por Davenport. O estudo foi aplicado a um modelo de turbina eólica de 5MW, projetado pelo citado laboratório.

Abstract

Wind turbines, both in onshore and offshore applications, are exposed to atmospheric boundary layer wind effects. The analytical calculation of the aerodynamic forces acting on the rotor is usually developed on the basis of the classic blade element momentum (BEM) theory, by considering the wind speed constant over time. To evaluate the effects of wind turbulence, it is necessary to perform dynamic analyses of the rotor - tower - foundations coupled system. With this objective this work presents and discusses the results from a study of the structural dynamic behavior of a large onshore horizontal axis wind turbine with the aid of the computational tools FAST and TurbSim, developed by the National Renewable Energy Laboratory, USA. The influence of blade tip losses, as well as the rotor plane yaw and inclination angles are considered in the calculation of the aerodynamic forces applied to the rotor shaft. A number of wind speed field conditions specified by design standards in ultimate limit state (ULS) situations are analyzed and parametric studies of interest are performed, such as the influence of the rotor-tower dynamic coupling, the statistical regularity of the generated wind fields and the contribution of wind forces on the tower to the structure’s response. The maximum responses, obtained by post-processing of data, are calculated by the gust response factor, proposed by Davenport. The study was applied to a 5MW wind turbine model, designed by the cited laboratory.

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