PROJETO DE UM AEROGERADOR DE PEQUENO PORTE...

PROJETO DE UM AEROGERADOR DE PEQUENO PORTE PARA

UTILIZAÇÃO NO LITORAL DA REGIÃO NORDESTE DO BRASIL

Caio Victor Pavani Branco

Projeto de Graduação apresentado ao

Curso de Engenharia Mecânica da Escola

Politécnica, Universidade Federal do Rio de

Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de

Engenheiro.

Orientador:

Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

SETEMBRO DE 2018

i

Branco, Caio Victor Pavani

Projeto de um Aerogerador de Pequeno Porte

para Utilização no Litoral da Região Nordeste do Brasil/

Caio Victor Pavani Branco - Rio de Janeiro: UFRJ /

Escola Politécnica, 2018.

VII, 73 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Armando Carlos de Pina Filho

Projeto de Graduação – UFRJ / Escola

Politécnica / Curso de Engenharia Mecânica, 2018.

Referências bibliográficas: p. 59-61.

1. Energia Eólica. 2. Aerogerador. 3. Geração de

Energia. 4. Projeto Mecânico. I. Pina Filho, Armando

Carlos de. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,

Escola Politécnica, Engenharia Mecânica. III. Projeto

de um Aerogerador de Pequeno Porte para Utilização

no Litoral da Região Nordeste do Brasil.

ii

A Edmilson Rodrigues Branco e

Zilma Pavani Branco

(in memoriam)

iii

Agradecimentos

A minha irmã Ivy Camila Pavani Branco, que sempre me fez acreditar em mim,

apesar das dificuldades que surgiram durante a elaboração deste projeto.

A minha companheira Belisa de Quadros Correa Godoy, por todo incentivo e

auxílio, pelo carinho e dedicação, e por me reconduzir ao trabalho quando as demais

circunstâncias me distraíam.

Ao eterno amigo Rômulo de Carvalho Brito, por todo o apoio ao longo dos mais

de dez anos de amizade, pelos conselhos e pelo ombro amigo nas horas de

dificuldade.

iv

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

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

PROJETO MECÂNICO DE UM AEROGERADOR DE PEQUENO PORTE PARA

UTILIZAÇÃO NO LITORAL DA REGIÃO NORDESTE


Setembro/2018

Orientador: Armando Carlos de Pina Filho

Curso: Engenharia Mecânica

Com a crescente preocupação em se diminuir a dependência humana dos

combustíveis fósseis, as fontes alternativas, como a energia eólica e solar, têm

ganhado cada vez mais espaço na matriz energética global. Com isso em mente,

neste trabalho foi projetado um dispositivo aerogerador de pequeno porte para

instalação em áreas de potencial eólico elevado, mais especificamente, no litoral da

região Nordeste do Brasil. Uma das preocupações que norteou o projeto foi a

diminuição dos custos, utilizando, sempre que possível, elementos de padrão

comercial, facilmente substituíveis. Foram elaborados textos introdutórios,

explicitando o histórico desses equipamentos, seu princípio de funcionamento e

descrição de seus elementos. Segue-se a isso o projeto aerodinâmico do rotor, o

projeto mecânico de seus componentes, explicitando as etapas de cálculo e as

decisões tomadas ao longo do projeto. Não serão abordados os sistemas elétrico e

os mecanismos de controle do aerogerador e a sua fundação. Por fim, está anexada

a documentação gráfica do projeto.

Palavras-chave: Energia eólica, Aerogerador, Geração de Energia, Projeto Mecânico

v

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

the requirements for the degree of Mechanical Engineer.

MECHANICAL PROJECT OF A SMALL WIND TURBINE FOR USE ON BRAZIL’S

NORTHEASTERN COAST


September/2018

Advisor: Armando Carlos de Pina Filho

Course: Mechanical Engineering

With the growing concern on reducing human dependence on fossil fuels,

alternative energy sources, such as wind and solar, have been gaining grounds on the

global energy matrix. With that in mind, in this project a small wind turbine was

designed for installation on areas with high potential for wind energy, more specifically,

on Brazil’s northeastern coast. One of the concerns that guided this project was the

decrease in costs, using, whenever possible, commercial elements, easily replaceable.

Introductory texts were made, explaining the history of these devices, their working

principle and description of their components. This is followed by the aerodynamic

design of the rotor, the mechanical design of its components, explaining the calculation

steps and the decisions taken along this project. The electrical systems, control

mechanisms an its foundations will not be addressed. Finally, the graphical

documentation of the project is attached.

Keywords: Wind Power, Wind Turbine, Power Generation, Mechanical Project

vi

Sumário

1. Introdução .................................................................................................................................... 1

1.1. Motivação ............................................................................................................................... 2

1.2. Objetivo .................................................................................................................................. 2

1.3. Estrutura do Projeto ............................................................................................................. 2

2. Histórico e Uso da Energia ...................................................................................................... 3

2.1. Panorama Global .................................................................................................................. 3

2.1. Panorama Nacional .............................................................................................................. 5

3. Energia Eólica ........................................................................................................................... 10

3.1. Histórico ............................................................................................................................... 10

3.2. Classificação dos aerogeradores ..................................................................................... 11

3.3. Princípio Físico ................................................................................................................... 16

4. Projeto Aerodinâmico ............................................................................................................. 20

4.1. Parâmetros Iniciais ............................................................................................................. 20

4.2. Determinação da Geometria Ideal ................................................................................... 21

4.3. Geometria Proposta ........................................................................................................... 27

5. Componentes Mecânicos ....................................................................................................... 32

5.1. Cubo ..................................................................................................................................... 32

5.2. Pás ........................................................................................................................................ 33

5.3. Gerador ................................................................................................................................ 34

5.4. Freio ...................................................................................................................................... 36

5.5. Carcaça da Nacele ............................................................................................................. 37

5.6. Acoplamentos ..................................................................................................................... 38

5.7. Estrutura ............................................................................................................................... 38

6. Multiplicador de velocidades ................................................................................................ 40

6.1. Engrenagens ....................................................................................................................... 40

6.1.1. Resistência à Fadiga .................................................................................................. 44

6.2. Árvores ................................................................................................................................. 46

6.3. Rolamentos ......................................................................................................................... 51

6.4. Chavetas .............................................................................................................................. 53

7. Torre ............................................................................................................................................. 55

8. Conclusão .................................................................................................................................. 57

8.1. Sugestões de Trabalhos Futuros ..................................................................................... 57

9. Referências Bibliográficas ..................................................................................................... 59

vii

Apêndice ............................................................................................................................................. 62

Anexos: ............................................................................................................................................... 66

1

1. Introdução

O desenvolvimento da ciência climática nas últimas décadas deixou claro o

vínculo entre a queima de combustíveis fósseis e o processo de elevação das médias

de temperatura global. Desde então, a demanda por uma matriz energética mais limpa

e sustentável tem se tornado uma preocupação cada vez maior, mobilizando grandes

esforços da comunidade científica. Nesse cenário de busca por alternativas aos

combustíveis fósseis, a energia eólica se apresenta como alternativa cada vez mais

interessante, o que fica demonstrado pelo crescimento da indústria da energia eólica

e da capacidade instalada ao redor do mundo.

Quando comparada com outras fontes alternativas de energia, a energia eólica

é uma das que apresenta maior maturidade, tendo recebido pesados investimentos

ao longo dos anos. Os aerogeradores modernos tem atingido níveis de eficiência cada

vez maiores, diminuindo o custo da energia produzida, e tornando cada vez mais

atrativa essa fonte de energia.

Inspirado nessa conjuntura, esse trabalho busca a análise aerodinâmica e

mecânica dos componentes de um aerogerador, propondo uma solução que

apresente eficiência e baixo custo, e dimensionando seus elementos componentes

para uma aplicação doméstica na região de maior potencial eólico do Brasil, que é a

região Nordeste.

2

1.1. Motivação

Inspirado na crescente demanda mundial pela geração de energia através de

fontes renováveis e diminuição da dependência dos combustíveis fósseis, este

trabalho visa o desenvolvimento de um aerogerador de pequeno porte para o

aproveitamento do elevado potencial eólico da região Nordeste do Brasil.

1.2. Objetivo

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um dispositivo capaz de

gerar energia elétrica através da transformação da energia contida no vento, tendo

como condições de contorno a disponibilidade do recurso eólico no litoral da região

Nordeste. Assim sendo, este projeto visa a concepção de um aerogerador e seus

componentes mecânicos, visando atender à demanda energética de uma residência,

que seja eficiente e de baixo custo, apresentando as etapas de cálculo, as motivações

que basearam as escolhas tomadas e os desenhos técnicos do equipamento.

1.3. Estrutura do Projeto

No segundo capítulo serão apresentadas informações sobre o histórico da

matriz energética mundial e nacional, o panorama atual, bem como informações que

ajudem a caracterizar sua evolução. O terceiro capítulo se dedica à descrição da

energia eólica, seu histórico, a estrutura básica de um aerogerador bem como suas

diferentes classificações e o princípio físico por trás da geração de energia através

dos ventos. No quarto capítulo é apresentado o dimensionamento aerodinâmico do

rotor, partindo das condições iniciais, obtendo-se uma geometria ideal da pá, e em

seguida se apresenta uma proposta de geometria de pá, baseada nas observações

feitas na literatura específica. O quinto capítulo apresenta a especificação de alguns

dos elementos mecânicos do aerogerador, definindo o critério para sua seleção no

caso dos elementos comerciais, e as escolhas feitas no caso de elementos a serem

fabricados. O sexto capítulo apresenta todo o dimensionamento dos componentes

internos do variador de velocidades. No sétimo capítulo está exposto o

dimensionamento da torre do aerogerador. E, finalmente, no oitavo capítulo são

apresentadas as conclusões deste projeto, e propostas de futuros trabalhos.

3

2. Histórico e Uso da Energia

Neste capítulo serão expostas informações que ajudem a qualificar o cenário

global em termos de geração e consumo de energia, bem como das fontes mais

utilizadas, num contexto global, e também nacional

2.1. Panorama Global

Considerando toda a história da humanidade, a fonte energética que nos

acompanha há mais tempo, sem dúvida, é a biomassa. O homem a utiliza há muito

tempo, da alimentação das primeiras fogueiras até o desenvolvimento dos mais

recentes biocombustíveis. Entretanto, a história recente nos mostra o surgimento de

uma necessidade energética que extrapola as simples necessidades básicas do ser

humano.

O processo de crescimento acelerado da demanda energética global tem início

em meados do século XIX, com a industrialização dos países europeus, acarretando

uma profunda mudança dos meios produtivos. Inicialmente movido a carvão mineral,

o modelo de produção industrial se espalhou pelo mundo, tendo papel central em

processos de desenvolvimento econômico e também de transformações sociais,

principalmente no crescimento das cidades e nas mudanças das relações de trabalho.

Figura 2.1 – Gráfico do consumo mundial de energia em função do tempo.

4

Com o passar dos anos, e com a demanda sempre crescente, conforme se vê

na figura 2.1, a humanidade foi buscando novas formas de satisfazer sua necessidade

de energia, que agora não mais se restringia ao setor industrial. A indústria do petróleo

desponta por volta de 1850, é acelerada na virada do século, e ganha destaque após

os esforços da Primeira Guerra Mundial, ocasião em que o petróleo se mostra um

recurso estratégico. O século XX ainda veria um expoente crescimento da indústria

automobilística, mais uma Grande Guerra, a criação da OPEP, as crises de 1973 e

1979 causando uma escalada de preços, e ainda assim, o petróleo entra no século

XIX como a principal fonte de energia primária. Em 1973, o petróleo sozinho respondia

por 46,2% da demanda mundial, seguido por carvão mineral, com 24,5%, e o gás

natural com 16,0%; todos combustíveis fósseis [6].

Hoje em dia, o que se vê ainda é a predominância dessas três fontes, que, se

somadas, respondem ainda a mais de 80% da necessidade energética primária da

humanidade. O fator preponderante para essa manutenção ainda é econômico, o

custo das fontes alternativas ainda é alto. Nenhuma delas tema a tecnologia tão

difundida quanto a indústria do petróleo, por exemplo, já alcançou, além da

intermitência da produção de energia, comum à maior parte dessas novas fontes. O

restante da matriz energética é composto por energia nuclear, com 4,8% do total,

energia hídrica, com 2,4%, biocombustíveis e resíduos, com 10,3%, e todas as demais

fontes somando 1,4% [6], ilustrado abaixo pelo gráfico da figura 2.2:

Figura 2.2 – Gráfico do consumo mundial de energia primária por fonte [BP Statistical Review, 2016].

5

Entretanto o cenário hoje é de estímulo ao desenvolvimento das energias de

fontes renováveis, basicamente, devido a três fatores: a demanda global por energias

limpas em um momento em que são sabidas as consequências da queima

indiscriminada de combustíveis fósseis, a certeza da finitude desses recursos, e a

necessidade de diversificação da matriz energética, diminuindo a dependência

estratégica de um único recurso. Tudo isso contribui para um ambiente de intensa

pesquisa e investimentos no setor, ilustrado pelo gráfico da figura 2.3:

Figura 2.3 – Gráfico do investimento em Fontes Renováveis por Região [IEA, 2017].

Atualmente, as fontes com maiores taxas de crescimento são a eólica e a solar

fotovoltaica, com taxas de crescimento anuais de 24,3% e 46,2%, respectivamente,

no intervalo de 1990 a 2014 [7]. Apesar dos números expressivos, menos de 15% da

energia mundial vem de fontes renováveis, o que ainda aponta um longo caminho a

ser percorrido até que tenhamos uma matriz energética em que essas fontes

predominem.

2.1. Panorama Nacional

Considerando o cenário nacional, apesar da presença acima da média das

fontes renováveis, com destaque para a energia hidrelétrica e para a cana-de-açúcar,

6

também é possível observar uma forte dependência dos combustíveis fósseis, como

é possível observar no gráfica da figura 2.4:

Figura 2.3 – Gráfico do consumo de Energia por Fonte Primária no Brasil [BEN, 2017]

As tecnologias de obtenção de combustíveis e de geração de energia elétrica

através da cana-de-açúcar se desenvolvem à partir da década de 70, com as crises

do petróleo, exemplificando a necessidade estratégica de uma matriz energética

variada. Partindo para uma análise da geração de energia elétrica, pode-se observar

o diferencial do Brasil em relação ao cenário global, com a presença muito forte das

fontes renováveis, como ilustra a figura 2.4 abaixo:

Figura 2.3 – Geração de Energia Elétrica por Fonte [BEN, 2017].

7

O Brasil apresenta elevado potencial para a produção eólica, que tem uma

média de variação de velocidade de apenas 5%, e presença de ventos duas vezes

superior à média mundial. As regiões de maior potencial são Nordeste, Sudeste e Sul,

regiões com maior área costeira, estando a maior parte do potencial estimado na

região Nordeste. Apesar da forte presença de renováveis na matriz energética

brasileira, a produção de energia elétrica por meio da ação dos ventos só representou

3,7% do total produzido em 2015, com 21626 GWh gerados. Entretanto, essa fonte

apresenta cenário promissor, uma vez que o crescimento da produção em

comparação com o ano anterior foi de 77,1%, e o da capacidade instalada de 56,1%,

[2].

Figura 2.5 – Potencial Eólico das Regiões do Brasil [3].

A figura 2.5 mostra claramente a distribuição do potencial teórico das cinco

regiões brasileiras, tendo a região Nordeste uma parcela superior a 50% do total. Parte

do seu elevado potencial é relacionado a sua latitude, pois nas regiões próximas ao

8

equador há forte presença dos ventos alísios. A escolha de uma região tão propícia

como direcionadora do projeto leva em conta o fato de a potência gerada ser

proporcional ao cubo da velocidade do vento, o que faz com que, nas regiões de alto

potencial, haja um retorno muito mais rápido do valor investido.

Figura 2.6 – Potencial Eólico da região Nordeste [3].

9

Conforme a figura 2.6, que explicita somente a região Nordeste, seu potencial

elevado fica ainda mais patente. Para a elaboração do projeto, foi considerado que o

aerogerador será instalado em terra firme, numa região plana, em que haja poucos

obstáculos para a passagem do vento, poucas construções e vegetação rasteira,

tendo como base o consumo de uma residência.

10

3. Energia Eólica

A energia eólica, assim como a maioria das fontes consideradas alternativas

de energia, é uma forma convertida da energia solar. O sol, aquecendo a superfície

terrestre de maneira desigual, gera zonas de alta e baixa pressão atmosférica. O

que acaba fazendo com que o ar das regiões equatoriais suba para as camadas

mais altas, deslocando-se em direção aos polos; e o ar das regiões polares tenda a

se deslocar em direção ao equador, como mostrado na figura 3.1.

Figura 3.1 – Esquema representativo dos deslocamentos de ar na atmosfera. [11 – adaptado]

Somam-se a esse efeito mais dois fatores importantes: a inclinação do eixo

do globo, que afeta ainda mais o aquecimento da superfície e ocasionando o

movimento cíclico das estações; e o movimento de rotação da Terra, gerando as

chamadas forças de Coriolis, alterando direção e velocidade dos deslocamentos de

ar. O resultado dessa soma é um sistema complexo, que tende a se tornar ainda

mais complexo com a intensificação do efeito estufa, que aumenta a energia total do

sistema.

3.1. Histórico

O poder dos ventos é conhecido pelo ser humano, estima-se, há milhares de

anos. Suas primeiras aplicações eram baseadas na força que o vento exercia sobre

placas ou velas, realizando trabalho. Os primeiros exemplos do aproveitamento dessa

11

fonte de energia são as embarcações à vela, e os moinhos de vento, utilizados na

moagem de grãos, no bombeamento de água, e em serrarias. Essa tecnologia, a partir

do século XV, já era bem difundida, ganhando novos usos à medida que a tecnologia

avançava, como na produção de papel, após a invenção da imprensa e até drenagem

de regiões pantanosas. Com a chegada das máquinas à vapor no século XIX, os

moinhos de vento caíram em desuso na Europa, embora fossem bastante populares

nos EUA [3]. A produção em larga escala de cata-ventos multipás tornava o dispositivo

acessível, o que teve papel fundamental na expansão da colonização do país.

Na década de 1930, também nos EUA, já eram vendidos pequenos

aerogeradores, que atendiam a população rural sem acesso à energia elétrica. O

dispositivo fez sucesso, chegando a ser exportado, mas foi perdendo popularidade

nas décadas de 50 e 60, à medida que a rede passava a atender as regiões mais

afastadas. Após a crise do petróleo, na década de 70, surgem os primeiros

aerogeradores de grande porte, baseados em experiências de décadas anteriores. O

modelo de competição, com incentivos do governo, favorece a produção e instalação

em larga de aerogeradores cada vez maiores [3]. A delimitação de áreas destinadas

à sua instalação também agilizou o processo de expansão, tornando desnecessários

os longos estudos ambientais que antes eram necessários.

3.2. Classificação dos aerogeradores

As turbinas eólicas podem ser classificadas de diferentes maneiras: turbinas de

arrasto ou de sustentação, de eixo vertical ou horizontal, e upwind ou downwind;

dependendo do aspecto analisado [7]. A primeira classificação diz respeito ao

princípio físico por trás da rotação da turbina, a segunda, a orientação do eixo de seu

rotor, e a terceira, à orientação do rotor em relação à direção do escoamento do ar.

As turbinas de arrasto apresentam superfícies que são literalmente empurradas pelo

vento, o que limita a velocidade de suas pás, que pode ser, no máximo, igual à

velocidade do escoamento. De forma a maximizar a energia extraída, nesse tipo de

turbina se busca maximizar a superfície a ser arrastada pelo vento, inclusive

aumentando-se o número de pás.

As turbinas de sustentação se utilizam de princípios aerodinâmicos. Suas pás

atuam como aerofólios, cuja geometria força o surgimento de diferenciais de pressão

entre sua região anterior e posterior, fazendo surgir uma força chamada de

12

sustentação ou lift. As grandes turbinas utilizadas em parques eólicos, e aquelas cuja

imagem vem à mente quando se fala em energia eólica, fazem uso desse princípio.

Figura 3.2 - À direita, uma turbina Darrieus, de de eixo vertical; à esquerda um aerogerador de eixo

horizontal [10].

A segunda classificação diz respeito à orientação do eixo da turbina em relação

à direção do escoamento do vento. O tipo mais comum de turbina eólica é a de eixo

horizontal, tendo larga maioria do mercado, e com tecnologia já num estágio bem

consolidado de maturação. As maiores representantes do grupo dos aerogeradores

de eixo vertical são os de Savonius, como na figura acima, e de Darrieus, sendo a

primeira de arrasto e a segunda de sustentação. Os dois tipos estão exemplificados

na figura 3.2.

Finalmente a última classificação diz respeito ao posicionamento do rotor em

relação à torre: se recebem o vento pela frente são chamadas de upwind, e recebem

o vento pela parte posterior são chamadas de downwind, como demonstra a figura

3.3. As turbinas downwind possuem a vantagem de não precisarem de um sistema de

posicionamento ativo para se manterem na direção do vento, mas o fluxo de ar ao

redor da torre causa turbulências prejudiciais ao funcionamento do aerogerador. As

turbinas upwind não possuem o problema de turbulência devido ao fato de o vento

incidir primeiro nas pás do rotor, em compensação demandam um mecanismo que as

13

posicione adequadamente para receber o escoamento na melhor posição possível, o

que adiciona peso e complexidade a sua construção [7].

Figura 3.3 – À esquerda um aerogerador upwind; à direita um aerogerador downwind [11].

Para o acionamento do gerador elétrico, é desejável que o rotor desempenhe

altas rotações. Assim a transmissão pode utilizar menos estágios, o gerador também

pode ter seu tamanho reduzido, diminuindo tanto o custo quanto o peso total do

aerogerador. Uma alternativa para se conseguir esse efeito é a diminuição do número

de pás. Valendo-se desses argumentos, testes foram realizados com aerogeradores

de uma só pá. Contudo, para lidar com os esforços desbalanceados era necessário a

introdução de outros elementos mecânicos ao projeto, como amortecedores e juntas

especiais. Outro problema dessa construção é a emissão de ruído, que é proporcional

à sexta potência da velocidade de ponta da pá [7]. Uma menor velocidade de rotação

e baixa emissão de ruído são fatores importantes para a opinião pública da tecnologia

eólica. Ponderando esses e outros fatores, a indústria encontrou no aerogerador de

eixo horizontal e rotor com três pás a melhor solução para a geração de energia eólica,

por isso sua predominância mundial.

Abaixo, na figura 3.4, vê-se um aerogerador de grande porte, explicitando seus

componentes, segundo [4]. Além do rotor e do gerador, há uma série de outros

elementos que permitem um funcionamento seguro do aerogerador.

14

Figura 3.4 – Principais componentes de um aerogerador de grande porte [4].

● Pás da turbina: (1) As pás são responsáveis por transformar a energia cinética

do vento incidente em energia de rotação do eixo;

● Cubo da Turbina: (2) Peça responsável pela união das pás em torno do eixo,

feita de ferro fundido;

● Carcaça da Nacele: (3) É a peça que serve de elemento estrutural para os

demais elementos do aerogerador, deve apresentar rigidez e ductilidade, de

forma a absorver esforços e vibrações, fabricada em ferro fundido de qualidade;

● Rolamento do Eixo da Turbina: (4) Rolamento de esferas ou roletes em mancal

de ferro fundido;

● Eixo da Turbina: (5) Responsável pela condução do movimento de rotação

causada pelas pás para o sistema de transmissão, tem diâmetro relativamente

grande para suportar os esforços a que está submetido, trabalhando em baixas

rotações;

● Caixa de Transmissão: (6) Caixa de engrenagens possuindo, geralmente, dois

estágios (três nas maiores turbinas), que recebe a baixa rotação do eixo do

rotor e a multiplica para a obtenção de um valor compatível com a operação do

gerador;

● Freio do Eixo do Gerador: (7) Sistema de freio a disco para situações de

emergência ou manutenção, podendo ser auxiliado por um pino, travando o

eixo;

15

● Acoplamento entre Transmissão e Gerador: (8) Visando à redução das tensões

atuantes nos mancais de rolamento, tanto do gerador, quanto da transmissão,

a conexão entre os dois é feita por meio de um acoplamento flexível;

● Gerador: (9) É responsável pela conversão do movimento rotatório causado

pelo rotor em energia elétrica, podendo ser de diferentes tipos e ter diferentes

instalações;

● Radiador de Calor da Transmissão: (10) Parte do sistema de arrefecimento da

Caixa de Transmissão;

● Radiador de Calor do Gerador: (11) Parte do sistema de arrefecimento do

Gerador;

● Sensores de Direção e Velocidade do Vento: (12) Responsável pelo envio de

dados fundamentais sobre as condições de operação para o sistema de

controle;

● Sistema de Controle: (13) É responsável pelo acompanhamento dos

parâmetros operacionais do aerogerador e da linha de transmissão à qual está

conectado permitindo o acesso remoto dessas informações, e também o

funcionamento automático do aerogerador;

● Sistema Hidráulico: (14) Responsável pelo controle da pressão de óleo dos

sistemas de freio utilizados no aerogerador;

● Sistema de Posicionamento da Nacele: (15) Responsável pelo controle da

posição do aerogerador, de forma que o as pás do rotor sempre esteja em um

plano normal à direção de incidência dos ventos, funcionando com os dados

recebidos pelos sensores;

● Rolamento da Nacele: (16) Rolamento instalado entre Nacele e Torre, de modo

a permitir seu movimento de rotação em relação à torre;

● Carenagem da Nacele: (17) Responsável pela proteção dos elementos internos

do aerogerador da ação de elementos externos, sendo moldada em material

compósito em formato aerodinâmico;

● Torre: (18) Elemento estrutural tubular com ligeira conicidade que é

responsável pela sustentação da turbina e da Nacele, geralmente feito de aço

ou concreto;

16

● Sistema de Controle do Ângulo de Passo da Turbina: (19) Existente em alguns

modelos de aerogerador, permite o controle automático do ângulo de passo da

turbina segundo parâmetros pré-definidos;

Segundo [9], os aerogeradores na concepção de hoje estão próximos do seu

tamanho limite, e o principal argumento para isso é a chamada Lei do Quadrado-Cubo.

Segundo esse princípio, a potência recuperada pela turbina é proporcional à área

varrida pelo rotor - e portanto, ao quadrado do seu diâmetro -, e seu custo e peso são

proporcionais ao cubo dessa medida, diminuindo a viabilidade econômica de projetos

ainda maiores. A lei, no entanto, não leva em consideração as inovações nos

processos de fabricação e utilização de novos materiais. Ao contrário do que previa a

lei, o crescimento real do peso das pás se deu com expoente de 2,3; ao invés de 3.

Também segundo esses autores, à medida que as turbinas crescem, tem-se buscado

a utilização de menos estágios de transmissão, ou mesmo sistemas de transmissão

direta com geradores de ímã permanente com diversos polos.

3.3. Princípio Físico

A energia contida nos deslocamentos de ar é uma energia essencialmente

cinética, forma de energia inerente ao deslocamento dos corpos, calculável através

da equação:

𝐸𝑘 =

1

2 𝑚 𝑈2

(3.1)

Havendo o deslocamento de uma dada massa de ar, pode-se pensar no fluxo de

energia, ou seja, potência, associado a esse deslocamento:

𝑃 = 𝐸�̇� =

𝑑𝐸𝑘

𝑑𝑡=

1

2 �̇� 𝑈2

(3.2)

Tomando como referência uma área circular de área 𝐴, o fluxo de massa através

dessa seção é:

�̇� = 𝜌𝑎𝑟 𝐴 𝑈 (3.3)

Substituindo essa equação na anterior, tem-se:

17

𝑃 =

1

2 𝜌𝑎𝑟 𝐴 𝑈3

(3.4)

Considerando um rotor ideal, com número de pás infinito, ignorando as perdas

aerodinâmicas, e assumindo que a pressão estática muito antes do disco do rotor e

muito depois são iguais à pressão do escoamento não perturbado, pode-se fazer uma

análise conforme a figura 3.7:

Figura 3.7 – Volume de controle do escoamento através do disco do rotor [11 - adaptado].

O impulso axial sobre o disco do rotor pode ser representado por:

𝑇 = �̇� (𝑈1 − 𝑈4) (3.5)

Como essa expressão retorna um valor positivo, a velocidade do escoamento na saída

do volume de controle é inferior a velocidade na entrada, e nenhum trabalho é

realizado. Aplicando a equação de Bernoulli dos dois lados do rotor, tem-se:

𝑝1 +

1

2𝜌𝑎𝑟𝑈1

2 = 𝑝2 + 1

2𝜌𝑎𝑟𝑈2

2 (3.6)

𝑝3 + 1

2𝜌𝑎𝑟𝑈3

2 = 𝑝4 + 1

2𝜌𝑎𝑟𝑈4

2 (3.7)

É assumido que as pressões 𝑝1 e 𝑝4 são iguais, e que não há perda de velocidade

através do disco do rotor, ou seja, 𝑈2 = 𝑈3. A força 𝑇 exercida no rotor também pode

ser escrita em função das pressões antes e depois do rotor, ou seja:

𝑇 = 𝐴2 (𝑝2 − 𝑝3) (3.8)

18

Obtendo a expressão (𝑝2 − 𝑝3) através das equações (6) e (7), e, em seguida,

substituindo o valor encontrado em (8), obtém-se:

𝑇 =

1

2 𝜌𝑎𝑟 𝐴2 (𝑈1

2 − 𝑈42)

(3.9)

Igualando as expressões (5) e (9), e reconhecendo que o fluxo mássico atuante no

disco é dado por 𝜌𝑎𝑟 𝐴2 𝑈2, chega-se a seguinte conclusão:

𝑈2 =

𝑈1 + 𝑈4

2

(3.10)

Ou seja, a velocidade do vento no plano do rotor é igual a média entre as velocidades

de entrada e saída do volume de controle. Pode-se definir, então, o fator de indução

axial 𝑎, que quantifica, de forma fracionária, o decréscimo de velocidade no disco do

rotor, sendo assim:

𝑎 =

𝑈1 − 𝑈2

𝑈1

(3.11)

E obtém-se as relações:

𝑈2 = 𝑈1 (1 − 𝑎) (3.12)

𝑈4 = 𝑈1 (1 − 2 𝑎) (3.13)

Se 𝑎 = 12⁄ , a velocidade na saída do volume de controle é 0, interrompendo o fluxo

de massa e invalidando a teoria apresentada.

Sendo a potência 𝑃 a multiplicação da força de impulsão axial no rotor e da

velocidade do escoamento, pode-se obter:

𝑃 =

1

2 𝜌𝑎𝑟 𝐴2(𝑈1

2 − 𝑈42) 𝑈2 =

1

2 𝜌𝑎𝑟 𝐴2 𝑈2 (𝑈1 + 𝑈4)(𝑈1 − 𝑈4)

(3.14)

Reescrevendo a expressão obtido em função do fator de indução axial, encontra-se:

𝑃 =

1

2 𝜌𝑎𝑟 𝐴2 𝑈3 4𝑎 (1 − 𝑎)2

(3.15)

A área do volume de controle 𝐴2 foi substituída pela área do rotor 𝐴, e as velocidades,

pela velocidade do fluxo não perturbado 𝑈.

Como forma de se avaliar a performance aerodinâmica do rotor, define-se,

então, o coeficiente de potência:

19

𝐶𝑃 =

𝑃

12 𝜌𝑎𝑟 𝐴2 𝑈3

(3.16)

Ou seja:

𝐶𝑃 = 4𝑎 (1 − 𝑎)2 (3.17)

Derivando-se a expressão obtida em relação a 𝑎 e igualando a 0, pode-se obter o

valor máximo de 𝐶𝑃, que ocorre em 𝑎 = 13⁄ :

𝐶𝑃𝑚𝑎𝑥

= 16

27= 0,5926

(3.18)

Esse valor obtido é denominado Limite de Betz, em homenagem ao físico

alemão Albert Betz, que desenvolveu esse método de análise.

20

4. Projeto Aerodinâmico

Este capítulo apresentará as etapas de cálculo e as considerações feitas para

a análise dimensionamento adequado das pás, bem como a proposição de uma

geometria alternativa à geometria ideal, considerada de fabricação complexa e

custosa.

4.1. Parâmetros Iniciais

Antes de começar as análises que levarão ao projeto do aerogerador e

dimensionamento de seus componentes, faz-se necessário o estabelecimento das

condições iniciais. O primeiro parâmetro estabelecido foi o diâmetro do rotor, e que

guiou as primeiras análises feitas foi o diâmetro desejado. O valor escolhido é

condizente com um aerogerador de pequeno porte, e, dado que ao se estabelecer o

tamanho do rotor, fica estabelecida a potência máxima do aerogerador, foi

determinado um diâmetro que gere uma potência compatível com uma demanda

doméstica:

𝐷 = 4 𝑚

Como esse projeto visa a implantação de um aerogerador em regiões de alto

potencial eólico da região Nordeste, baseado nas informações de [3], temos a média

de velocidades anuais do vento a 50 m de altura:

𝑈50 = 9 𝑚 𝑠⁄

Entretanto, a utilização de uma torre de 50 𝑚 é inviável para um aerogerador

de pequeno porte, logo, buscou-se compatibilizar a altura da torre, sabendo que isso

implicaria em uma menor velocidade do vento. Uma vez que se saiba a velocidade

do vento a uma dada altura, pode-se obter sua velocidade a uma altura de interesse

inferior a 100 𝑚 pela expressão abaixo, válida para superfícies planas:

𝑈 = 𝑈𝑟𝑒𝑓 (ln

𝑧𝑧0

ln𝑧𝑟𝑒𝑓

𝑧𝑜

)

(4.1)

21

em que 𝑈𝑟𝑒𝑓 e 𝑧𝑟𝑒𝑓são, respectivamente, a velocidade conhecida do vento e a que

altitude ela foi medida; e 𝑧0 é uma medida da “rugosidade do terreno”, ou seja, a

altura na qual a velocidade do vento é 0.

Como o objetivo é a implantação do aerogerador em uma região litorânea, foi

adotado o valor de 𝑧0 como sendo 0,03 𝑚, compatível com regiões de terreno aberto

e pouco acidentado. Utilizando a equação acima, então, calculou-se a velocidade do

vento em diferentes pontos a partir dos 6 𝑚 de altura, obtendo-se, aos 10𝑚 a

velocidade de 7,05 𝑚 𝑠⁄ , valores considerados satisfatórios. Portanto, de forma

simplificada:

𝐻 = 10 𝑚

𝑈 = 7 𝑚 𝑠⁄

4.2. Determinação da Geometria Ideal

Em seguida, foi estabelecido o tip speed ratio, ou TSR, representado pela

letra grega 𝜆, que é a relação entre a velocidade da ponta da pá e a velocidade do

escoamento, ou seja:

𝜆 =

𝛺 𝑅

𝑈

(4.2)

Em que 𝛺 é a velocidade angular do rotor, e 𝑅 o raio do rotor. Para a determinação

desse parâmetro foi seguida a recomendação de [11], que relaciona 𝜆 ao número de

pás do aerogerador, conforme a tabela abaixo:

Tabela 4.1 – Recomendação para o tip speed ratio em função do número de pás [11].

22

Dado os elevados custos de fabricação das pás, que assume porcentagem cada

vez maior do custo total do equipamento à medida que o diâmetro do rotor aumenta,

e como os projetos de sucesso, em grande e pequena escala, tem utilizado três pás,

esse projeto também utilizará esse número. Segundo [11], para a geração de energia

elétrica, o usual é a utilização de tip speed ratio entre 4 e 10.

A determinação de 𝜆 tem impacto direto em todas as etapas posteriores uma vez

que, quanto maior for seu valor, maior a velocidade da ponta da pá, o que reduz a

complexidade do multiplicador de velocidades do aerogerador, porém requer a

utilização de perfis aerodinâmicos cada vez mais delgados, fazendo com que sejam

necessários materiais cada vez mais nobres para a fabricação das pás, elevando os

custos totais do equipamento. Tendo isso em mente, para este projeto, então, foi

adotado 𝜆 = 6.

Uma vez determinado o valor de 𝜆, podemos obter a velocidade angular do rotor:

𝛺 =

𝑈 𝜆

𝑅= 21 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ =̃ 201 𝑟𝑝𝑚

(4.3)

A seguir, foi definido o perfil aerodinâmico das pás. As análises se concentraram

nos aerofólios da família NACA 44XX, que apresentam elevados coeficientes de

sustentação (𝐶𝑙) e baixo arrasto. Os aerogeradores modernos utilizam diferentes

perfis ao longo da pá, mas uma vez que isso introduz uma maior complexidade na

quantificação do desempenho aerodinâmico do rotor, optou-se por utilizar apenas um

perfil ao longo de toda a pá e um ângulo de ataque fixo.

Para auxiliar na escolha do aerofólio foi utilizado o software QBlade, que se utiliza

do código XFOIL, programa voltado para a análise de aerofólios em regime subsônico,

e que é amplamente conhecido na indústria eólica. Com o QBlade foi possível verificar

o desempenho de diferentes aerofólios da família NACA 44XX em escoamentos de

baixo número de Reynolds, típico de pequenos aerogeradores.

Esta etapa do foi feita de forma iterativa, partindo de um valor arbitrado do número

de Reynolds e convergindo para os valores teóricos do projeto. O perfil escolhido para

as pás do aerogerador foi o Naca 4418, por apresentar bom desempenho

aerodinâmico e, sendo mais robusto que outros aerofólios da família, como o NACA

4412, ou o NACA 4415, permite a utilização de elementos estruturais de maiores

23

seções transversais, não sendo necessária a utilização de materiais mais nobres. As

figuras abaixo relacionam as informações do aerofólio especificado.

24

Figuras 4.1, 4.2 e 4.3 – Gráficos das constantes aerodinâmicas do aerofólio NACA 4418 obtidas

através do software QBlade.

Foram, então, obtidos os coeficientes aerodinâmicos do perfil NACA 4418:

𝐶𝑙 = 1,322;

𝐶𝑑 = 0,020;

𝐶𝑚 = −0,087;

O ângulo de ataque 𝛼 selecionado foi o ângulo em que a relação 𝐶𝑙 𝐶𝑑⁄ é máxima,

o que ocorre em 𝛼 = 8,5°.

A determinação da geometria das pás seguiu o roteiro descrito em [11] que parte

da determinação de uma geometria ideal. Estabelecendo uma variável 𝑟, que

determina a posição da seção em relação ao centro do rotor, computa-se o valor de 𝜆

local, ou 𝜆𝑟, através da expressão:

𝜆𝑟(𝑟) =

𝛺 𝑟

𝑈=

𝜆 𝑟

𝑅

(4.4)

É possível ver, então, que 𝜆𝑟 varia linearmente de 0, no centro do rotor, até o valor

de 𝜆 em sua extremidade. Através dessa grandeza é possível obter o ângulo de

incidência relativa do vento em relação a pá demonstrado na figura 4.4, que pode ser

calculado através de:

25

𝜑(𝑟) =

2

3 tan−1 (

1

𝜆𝑟(𝑟))

(4.5)

Figura 4.4 – Gráfico da distribuição do ângulo de incidência relativa ao longo da pá.

Antes de calcular a distribuição do comprimento da corda ao longo do raio, é

necessário computar os efeitos das perdas nas pontas das pás, um efeito conhecido

como tip-loss. Uma das formas de se computar esse feito é através do fator de

correção 𝐹, proposto por Prandtl, e exposto na figura 4.5:

𝐹(𝑟) = 2

𝜋 cos−1 [𝑒𝑥𝑝 (−

(𝐵2) (1 −

𝑟𝑅)

(𝑟𝑅) sin(𝜑(𝑟))

)]

(4.6)

Figura 4.5 – Gráfico da distribuição do fator de correção de Prandtl ao longo da pá

Finalmente, então, pode-se obter a geometria ótima da pá calculando a

distribuição da variação da corda ao longo da pá, exposta na figura 4.6, através de:

26

𝑐(𝑟) =

8 𝜋 𝑟 𝐹(𝑟) sin(𝜑(𝑟))

𝐵 𝐶𝑙 (

cos(𝜑(𝑟)) − 𝜆𝑟(𝑟) sin(𝜑(𝑟))

sin(𝜑(𝑟)) + 𝜆𝑟(𝑟) cos(𝜑(𝑟)))

(4.7)

Figura 4.6 – Gráfico da distribuição ideal da corda ao longo da pá.

Em seguida, calcula-se a solidez local:

𝜎′(𝑟) =

𝐵 𝑐(𝑟)

2 𝜋 𝑟

(4.8)

O que permite obter o fator de indução axial:

𝑎(𝑟) =

1

[1 + 4 𝐹(𝑟) sin2(𝜑(𝑟))

𝜎′(𝑟) 𝐶𝑙 cos(𝜑(𝑟))]

(4.9)

Com isso, tem-se a velocidade relativa do escoamento ao longo da pá:

𝑈𝑟𝑒𝑙(𝑟) =

𝑈 (1 − 𝑎(𝑟))

sin(𝜑(𝑟))

(4.10)

Para finalmente poder calcular o número de Reynolds, como se vê na figura 4.7:

𝑅𝑒(𝑟) =

𝑈𝑟𝑒𝑙(𝑟) 𝑐(𝑟)

𝜈

(4.11)

27

Figura 4.7 – Gráfico da distribuição do número de Reynolds ao longo da pá.

Sendo 𝜈 a viscosidade dinâmica do ar. Então, com o novo valor do número de

Reynolds dá-se início a uma nova iteração dos cálculos acima, até que os valores

convirjam, e se obtenha os valores dos coeficientes aerodinâmicos apresentados

inicialmente.

4.3. Geometria Proposta

A forma da pá obtida através dos cálculos apresenta elevado grau de

complexidade, sendo de difícil fabricação e custo elevado. Propõe-se, então, uma

simplificação tanto de 𝜑(𝑟) quanto de 𝑐(𝑟) de forma a minimizar os impactos citados,

sem que isso imponha perdas drásticas no rendimento aerodinâmico do rotor.

A forma construtiva mais simples seria a de corda constante e sem ângulo de

torção. Entretanto, segundo [16], essa forma só apresenta desempenho apreciável

em escoamentos de número de Reynolds elevado, acima de 3𝑥106, e, no caso de

aerogeradores de pequena escala, sofre com perda de sustentação – stall –

prematuramente.

Sendo assim, optou-se por seguir uma das proposições de [16], também

presente em [11], que é a linearização das distribuições, tanto da corda, quanto do

ângulo de torção.

28

O primeiro passo na busca pelas melhores simplificações de 𝜑(𝑟) e 𝑐(𝑟) foi a

discretização da coordenada 𝑟. Segundo a orientação da literatura, a pá foi dividida

em 𝑁 elementos de igual comprimento como na figura 4.8 – nesse caso, 𝑁 = 10 – e

a análise se concentrou nos pontos centrais de cada segmento, com coordenada

genérica descrita por 𝑟𝑖.

Figura 4.8 – Coordenada r e exemplo das subdivisões da pá [11].

O próximo passo é a proposição de uma função linear que substitua a curva de

𝜑(𝑟), quantificando seu impacto em 𝐶𝑝, através da aproximação:

𝐶𝑝 =̃

8

𝜆 𝑁∑ (𝐹𝑖 sin2 𝜑𝑖 (cos 𝜑𝑖 − 𝜆𝑟,𝑖 sin 𝜑𝑖)(sin 𝜑𝑖 + 𝜆𝑟,𝑖 cos 𝜑𝑖) [1 − (

𝐶𝑑

𝐶𝑙

) cot 𝜑𝑖] 𝜆𝑟,𝑖2 )

𝑁

𝑖=𝑘

(4.12)

Em que 𝑘 é o índice do primeiro segmento composto pelo aerofólio, e que é aplicável

quando as 𝑁 divisões tem o mesmo tamanho.

As parcelas que mais contribuem para o valor do somatório acima são as das

seções mais próximas da ponta da pá, onde 𝜆𝑟 atinge valores mais elevados, portanto,

buscou-se propor funções que tivessem maior aderência à distribuição ideal nessa

região.

A primeira tentativa foi feita com uma interpolação linear dos dois últimos

pontos – 𝑟9 e 𝑟10 – em seguida foi calculado seu rendimento conforme a aproximação

acima. A segunda tentativa contemplou os três últimos pontos, e assim

sucessivamente, aumentando a quantidade de pontos. O valor máximo de 𝐶𝑝 foi obtido

com a reta que contempla os 6 últimos pontos, fornecendo ao seguinte expressão:

29

𝜑′(𝑟) = −0,12 𝑟 + 0,33 (4.13)

sendo o ângulo 𝜑′(𝑟) expresso em radianos. Através dessa expressão, podemos

obter a distribuição do ângulo de torção ao longo da pá 𝜃𝑇(𝑟), bastando subtrair o

ângulo de ataque 𝛼.

Já no caso da corda, a obtenção de uma reta 𝑐′(𝑟) foi através de um processo

de tentativa e erro, em que se buscou a compatibilidade geométrica de uma pá com

seção transversal decrescente e a utilização de um elemento estrutural em seu

interior. Assim, estimou-se um valor considerado razoável para a corda na ponta da

pá, e cada tentativa utilizou um valor inicial diferente até a obtenção de uma

distribuição aceitável.

𝑐′(𝑟) = −0,10 𝑟 + 0,32 (4.14)

O critério para validação da função encontrada foi, primeiramente, a concepção

de um elemento estrutural de seção transversal também decrescente e que fosse

capaz de sustentar os esforços calculados posteriormente. Outra forma de se validar

a função 𝑐′(𝑟), foi através do cálculo da solidez:

𝜎 =̃

𝐵

𝑁 𝜋 (∑

𝑐𝑖′

𝑅

𝑁

𝑖=𝑘

) = 0,090 = 9,0%

(4.15)

O valor obtido para a solidez foi compatível com o explicitado em [10] para um

rotor utilizando um aerofólio da família NACA 44XX, e com diâmetro inferior a 10m,

que seria de 8,9%.

Uma vez obtidas as distribuições 𝜃𝑇(𝑟) e 𝑐′(𝑟) fica definida a geometria da pá.

Esses valores são, então, utilizados nos cálculos das grandezas anteriores, obtendo-

se assim os valores relativos à forma construtiva escolhida. O próximo passo é o

cálculo das forças atuantes no rotor, como mostra a figura 4.9:

30

Figura 4.9 – Esforços atuantes na seção da pá [11 - adaptado].

𝐹𝑁 = 1

2 𝐵 𝜌𝑎𝑟 ∫[𝑈𝑟𝑒𝑙

2 (𝑟)(𝐶𝑙 cos(𝜑′(𝑟)) + 𝐶𝑑 sin(𝜑′(𝑟)))𝑐′(𝑟)]𝑑𝑟

𝑅

𝑟ℎ

= 310,4 𝑁

(4.16)

𝐹𝑇 = 1

2 𝜌𝑎𝑟 ∫[𝑈𝑟𝑒𝑙

2 (𝑟)(𝐶𝑙 sin(𝜑′(𝑟)) − 𝐶𝑑 cos(𝜑′(𝑟)))𝑐′(𝑟)]𝑑𝑟

𝑅

𝑟ℎ

= 17,0 𝑁

(4.17)

𝑄 =

1

2 𝐵 𝜌𝑎𝑟 ∫[𝑈𝑟𝑒𝑙

2 (𝑟)(𝐶𝑙 sin(𝜑′(𝑟)) − 𝐶𝑑 cos(𝜑′(𝑟)))𝑐′(𝑟) 𝑟]𝑑𝑟

𝑅

𝑟ℎ

= 58,3 𝑁. 𝑚

(4.18)

Através do valor de 𝑄, obtém-se a potência teórica do rotor:

𝑃𝑟𝑜𝑡 = 𝛺 𝑄 = 1,22 𝑘𝑊 (4.20)

e, dividindo esse valor pela potência total disponível, tem-se o coeficiente de potência

do rotor proposto:

𝑃𝑤 =

1

2 𝜌𝑎𝑟 (𝜋

𝐷2

4) 𝑈3 = 2,56 𝑘𝑊

(4.21)

31

𝐶𝑝 =

𝑃𝑟𝑜𝑡

𝑃𝑤= 0,477 = 47,7%

(4.22)

Através do valor obtido pode-se fazer uma análise qualitativa da geometria

proposta: tendo em vista o valor do seu limite teórico, 59,3%, o rendimento obtido foi

considerado satisfatório. Outro fator importante observado durante as etapas de

cálculo foi que, a perda teórica em relação a forma ideal é inferior a cinco pontos

percentuais, enquanto uma construção com corda e ângulo de torção constantes

apresentou perdas próximas aos vinte pontos percentuais.

32

5. Componentes Mecânicos

Neste capítulo serão apresentados os processos de seleção e especificação

de alguns dos elementos mecânicos do aerogerador. No caso dos elementos

comerciais – o gerador, o freio eletromagnético e os acoplamentos –, foram

observados catálogos e selecionados itens compatíveis com a aplicação e os esforços

calculados. No caso dos elementos a serem fabricados, foi proposta uma geometria,

e, através de simulação computacional, foi verificada sua adequação às condições

esperadas na operação do aerogerador.

5.1. Cubo

O desenho do cubo foi inspirado no sistema utilizado em grandes

aerogeradores, em que a pá é fixada no cubo por meio de parafusos. A peça seria

fabricada por processo de fundição com ferro fundido cinzento, visando diminuir os

custos de usinagem, que devem se concentrar no acabamento dos furos e das faces

onde ocorrerá a união por parafusos M6. Os esforços desenvolvidos na operação

foram computados, mas são muito inferiores à resistência do material, tendo a

geometria se limitado às questões funcionais.

O cubo tem um diâmetro de 200 𝑚𝑚, e o furo central das faces de fixação das

pás permite que seja feito o encaixe de um ressalto previsto nas pás, diminuindo os

esforços cisalhantes na união aparafusada. Ele será fixado ao eixo principal através

de uma porca e uma contraporca M24, e também receberá uma cobertura de fibra de

vidro para acabamento. A peça também deverá receber pintura adequada a fim de

evitar sua corrosão. Abaixo, segue uma ilustração da geometria proposta, e da análise

dos esforços esperados em simulação computacional.

33

Figura 5.1 – Cubo do rotor.

5.2. Pás

O processo de obtenção da geometria das pás foi descrito anteriormente. Elas

serão fabricadas de espuma de poliuretano rígido, laminada com fibra de vidro,

conferindo maior resistência ao desgaste superficial. A fim de resistir aos esforços

calculados, foi concebido um elemento estrutural a ser fabricado de aço 1020 que

ficará localizado no centro aerodinâmico do perfil da pá.

A primeira ideia da geometria desse reforço interno foi na forma de uma barra

chata de dimensões comerciais, o que não apresentou resultados satisfatórios, tendo

em vista a diminuição da seção transversal da pá ao longo do raio e sua torção ao

longo do eixo aerodinâmico. O melhor resultado obtido foi com um elemento de seção

circular que varia em degraus até a ponta da pá. Uma vantagem dessa forma é

inexistência de uma direção preferencial de resistência à aplicação de uma força. Os

diferentes diâmetros especificados ao longo do elemento são todos padrões

comerciais, facilitando sua fabricação.

Com ajuda do programa SolidWorks, foi feita uma simulação da aplicação de

forças de igual intensidade às das calculadas anteriormente, através do módulo

Simulation Xpress. Nessa simulação, a resistência aos esforços se deve unicamente

ao elemento estrutural, desprezando os demais componentes da pá. Vale notar que o

34

material adotado foi um aço de baixo carbono, que foi adotado como ponto de partida

da análise dos esforços.

Figura 5.2 – Simulação da tensão de Von Mises atuantes no elemento estrutural da pá.

Considerando essa condição da aplicação das cargas, foi obtido um coeficiente

de segurança 2,7; o que foi considerado aceitável uma vez que, na prática, esse não

seria o único elemento a oferecer resistência às cargas aplicadas, o que aumenta a

confiabilidade do conjunto. A figura 5.2 apresenta a distribuição das tensões

esperadas ao longo do corpo do elemento central.

5.3. Gerador

Uma vez definida a potência teórica gerada pelo rotor, é necessário selecionar

um gerador adequado. Para tanto, foram consideradas as perdas na transmissão,

através dos rendimentos típicos de transmissão por engrenagens e também dos

mancais de rolamento, obtendo-se um rendimento estimado de 90%. Sendo assim, a

potência requerida pelo gerador é de:

𝑃𝑔𝑒𝑟 = 0,9 𝑃𝑟𝑜𝑡 = 1,10 𝑘𝑊 (5.1)

Baseado no valor acima, deu-se entrada no catálogo do fabricante de motores

elétricos WEG, e selecionou-se um motor de potência compatível com o consumo

esperado de uma residência. O motor escolhido foi da família W22 IR3 Premium, com

características conforme folha de dados abaixo. Muito embora a seleção de um motor

com uma maior quantidade de polos, 8 por exemplo, pudesse ser atrativa em um

35

primeiro momento, visto que seria necessária uma multiplicação menor, uma

comparação de custos através das ferramentas disponíveis no site do próprio

fabricante revelou uma diferença muito grande entre os preços dos diferentes

modelos. Sendo assim, optou-se pelo de menor custo, cujos dados estão

apresentados na figura 5.3.

Figura 5.3 – Folha de dados do motor elétrico selecionado [21].

36

5.4. Freio

Para que o aerogerador opere de forma segura, é necessário que ele seja

equipado com algum mecanismo de freio no caso de ventos com velocidade

consideravelmente superior à de projeto. Para a seleção adequada do torque nominal

requerido pelo mecanismo de freio, utilizando as equações já apresentadas na seção

descritiva da forma da pá, foi calculado o torque gerado pelo rotor numa situação de

vento acima da velocidade projeto. No caso, foi utilizada uma velocidade 50% maior,

arredondada para o inteiro superior mais próximo:

𝑄(𝑈 = 11 𝑚 𝑠⁄ ) = 143 𝑁. 𝑚 (5.2)

De posse desse valor, havia ainda uma decisão a ser tomada, no caso de um

aerogerador de pequeno porte, em que o eixo principal não apresenta dimensões tão

elevadas quanto o de um de grande porte, o freio pode ser instalado tanto no eixo

principal quanto no eixo de alta velocidade, na saída da transmissão. A vantagem de

colocá-lo no eixo de entrada é que ele protege os elementos da transmissão no caso

de sobrecarga, mas para isso é necessário um freio de proporções maiores.

Sendo assim, utilizando o torque calculado acima, dando entrada no catálogo

do fabricante Mayr, modelo ROBA-quick, exemplificado na figura 5.4, e se selecionou

um freio eletromagnético compatível. Ele é constituído de uma parte acoplada ao eixo

através de chaveta, e outra que deve ser presa a um suporte transversal ao eixo.

Quando acionado, uma corrente elétrica percorre a bobina em seu interior, gerando

um campo magnético que atrai o disco acoplado ao eixo, fazendo com que ele entre

em atrito com a parte fixa do dispositivo, resistindo ao movimento.

Figura 5.4 – Representação do freio eletromagnético modelo ROBA-quick [19].

37

A escolha desse freio impõe algumas limitações à forma do eixo de entrada,

uma vez que o fabricante indica tanto uma faixa de diâmetros de eixo possíveis para

sua aplicação, bem como uma faixa de diâmetros preferenciais. Assim sendo,

seguindo uma abordagem conservadora para o dimensionamento geral dos

componentes, optou-se por seguir a recomendação do fabricante para um melhor

funcionamento do dispositivo.

5.5. Carcaça da Nacele

Para a proteção dos elementos mecânicos do aerogerador, foi concebida uma

carcaça feita de fibra de vidro, que apresenta boa resistência à intempérie. A carcaça

bipartida envolverá os componentes mecânicos, evitando a exposição excessiva às

condições climáticas. A parte inferior se apoiará sobre a extremidade do tubo da torre

e o encaixe entre as partes se dará por interferência.

Figura 5.5 – Carcaça da nacele.

38

5.6. Acoplamentos

Visando um melhor funcionamento do sistema como um todo, foram escolhidos

acoplamentos elásticos para a união dos eixos apresentados. A vantagem da

utilização desses elementos é uma maior tolerância aos desalinhamentos dos

componentes do aerogerador. O acoplamento absorve, até determinado limite,

desvios angulares e lineares entre os eixos, também atuando no amortecimento de

pequenas vibrações geradas no funcionamento do dispositivo.

Um outro ponto importante para a escolha de se utilizar acoplamentos desse

tipo é a intensão de se garantir que não serão transmitidos esforços axiais para o

multiplicador. Para que haja uma operação adequada dos elementos internos do

multiplicador, e para que a vida dos deles corresponda ao esperado nos cálculos,

então, foram escolhidos acoplamentos do fabricante Mayr, do modelo ROBA-ES,

compatíveis com o diâmetro dos eixos e com o torque transmitido, e apresentado na

figura 5.6.

Figura 5.6 – Representação do acoplamento elástico utilizado [19].

5.7. Estrutura

Como elemento estrutural que sustente os componentes da nacele foi

concebida uma estrutura feita de tubos retangulares comerciais de medida

80 𝑚𝑚 𝑥 40 𝑚𝑚. Essa estrutura será feita através da soldagem de segmentos de tubo

com diferentes comprimentos, e, onde se fez necessário, serão utilizadas chapas

separadoras de 5𝑚𝑚 de espessura, com o objetivo de manter o alinhamento desejado

entre os componentes do aerogerador.

39

Numa simulação preliminar, através do módulo Simulation Xpress do software

SolidWorks, a estrutura apresentou boa resistência quando submetida aos esforços

esperados. A figura abaixo apresenta o modelo 3D da estrutura, bem como a

simulação dos esforços esperados, porém com uma extrapolação das possíveis

deformações para uma melhor visualização do seu comportamento.

Figura 5.7 – Estrutura do aerogerador.

40

6. Multiplicador de velocidades

6.1. Engrenagens

Para um desempenho adequado do motor elétrico escolhido, é necessário que

a sua rotação de trabalho esteja o mais próximo possível de sua rotação nominal.

Sendo assim, sabidas as rotações nominais tanto do rotor, quanto do motor elétrico,

pode-se dimensionar um multiplicador de velocidades capaz de elevar a rotação

obtida no rotor para o valor necessário à operação do gerador.

Temos, então, todos os parâmetros necessários para iniciar o

dimensionamento do multiplicador de velocidades:

𝑄 = 58,3 𝑁. 𝑚

𝛺𝑟𝑜𝑡 = 201 𝑟𝑝𝑚

𝛺𝑔𝑒𝑟 = 1755 𝑟𝑝𝑚

Com os valores das rotações nominais pode-se obter a relação de transmissão

desejada:

𝑒𝑡 =

𝛺𝑔𝑒𝑟

𝛺𝑟𝑜𝑡= 8,752

(6.1)

De forma a limitar o tamanho das engrenagens, serão utilizados dois estágios

com igual razão de transmissão por engrenagens cilíndricas de dentes retos, o que

também traz a vantagem de uma maior padronização. Então, calcula-se a relação de

transmissão para cada estágio:

𝑒 = √𝑒𝑡 = 2,958 (6.2)

Seguindo orientação da literatura consultada de utilizar número mínimo de 18

dentes no pinhão, por tentativa e erro, buscou-se obter um par de valores de número

de dentes para o pinhão e para a coroa que fornecesse uma relação de transmissão

suficientemente próxima do valor desejado. Assim sendo, depois de algumas

tentativas, foram escolhidos os valores:

𝑧𝑝 = 22

𝑧𝑐 = 65

41

As relações de transmissão de cada estágio e total para esses números de

dentes são, respectivamente 𝑒𝑡 = 8,729 e 𝑒 = 2,955. Outro parâmetro importante para

o dimensionamento adequado das engrenagens é a escolha do ângulo de pressão 𝜃,

que neste projeto foi definido como sendo 20°.

A seguir, é necessário selecionar o módulo das engrenagens. A primeira

abordagem seguiu um roteiro de cálculo para determinação da largura do dente para

os diferentes valores de módulos da série 1, de fabricação mais comum, e sua

posterior comparação com a recomendação da literatura. Esse cálculo foi realizado

usando a expressão para a tensão na raiz do dente da AGMA – American Gear

Manufacturers Association. Seguindo recomendação de [15] o dimensionamento deu

ênfase ao pinhão do primeiro estágio, uma vez que é a engrenagem sujeita aos

maiores esforços.

O roteiro de cálculo tem início com o cálculo do diâmetro primitivo 𝑑𝑝 da

engrenagem, para os diferentes módulos:

𝑑𝑝 = 𝑚 𝑧𝑝 (6.3)

Em seguida, é necessário obter o valor da rotação do eixo intermediário, o que

é possível através das expressões:

𝛺𝑖𝑛𝑡 = 𝑒 𝛺𝑟𝑜𝑡 = 592 𝑟𝑝𝑚 (6.4)

Calcula-se, então, a velocidade no círculo primitivo:

𝑉 =

𝜋 𝑑𝑝𝛺𝑖𝑛𝑡

60

(6.5)

Que nos dá o resultado em metros por segundo. Dividindo a potência de

entrada pelo valor obtido da velocidade, obtém-se o valor da força tangencial aplicada

no dente, ou seja:

𝑊𝑡 =

𝑃

𝑉

(6.6)

Para dar prosseguimento aos cálculos, precisamos do valor do fator dinâmico

𝐾𝑣 (, que é calculado de diferentes formas dependendo do método de fabricação da

engrenagem. Assim sendo, assumiu-se que as engrenagens deste projeto teriam seus

dentes fresados, e com isso tem-se:

42

𝐾𝑣 =

50

50 + √200 𝑉

(6.7)

No próximo passo já se faz necessária a determinação do material de que serão

fabricadas as engrenagens, uma vez que serão computadas as tensões admissíveis.

Conforme ficará demonstrada nas etapas posteriores de cálculo, a resistência ao

desgaste superficial dos dentes da engrenagem está diretamente ligada a sua dureza,

o que motivou a escolha de um material que se destacasse nessa grandeza. Foi

escolhido então o aço AISI 1030 temperado e revenido em banho de água a 205℃,

que possui as seguintes propriedades:

𝑆𝑢𝑡 = 848 𝑀𝑝𝑎;

𝑆𝑦 = 648 𝑀𝑝𝑎;

𝐻𝐵 = 495;

Seguindo a recomendação de se utilizar um coeficiente de segurança 𝐶𝑆 entre

3 e 5, optou-se por se utilizar 𝐶𝑆 = 4. Então, a tensão admissível para o material

escolhido é:

𝜎𝑎𝑑𝑚 = 155,3 𝑀𝑝𝑎

Interpolando os dados da tabela para o fator de forma 𝐽 (Tabela 1 dos Anexos),

utilizando os valores dos dentes do pinhão e da coroa, obtém-se:

𝐽 = 0,373

Com todos os valores acima definidos, utiliza-se a expressão para o cálculo da

tensão na raiz do dente:

𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴 =

𝑊𝑡

𝐾𝑣 𝐽 𝐹 𝑚

(6.8)

Manipulando a expressão acima, substituindo o valor de 𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴 pelo valor de

𝜎𝑎𝑑𝑚 e isolando 𝐹 tem-se:

𝐹 =

𝑊𝑡

𝐾𝑣 𝐽 𝜎𝑎𝑑𝑚 𝑚

(6.9)

Obtidos os valores de largura da face como uma função do módulo, a análise

qualitativa dos valores obtidos foi através da recomendação de que a largura esteja

entre três e cinco vezes o valor do passo diametral, ou seja:

43

3

𝜋 𝑑𝑝

𝑧𝑝 ≤ 𝐹 ≤ 5

𝜋 𝑑𝑝

𝑧𝑝

(6.10)

O único valor de módulo da série 1 que se adequou à rotina de cálculo acima

foi 𝑚 = 1,5; e os cálculos seguinte do projeto seguiram algumas etapas com esse

valor. Entretanto, mais a frente, quando da determinação da geometria do eixo, não

foi possível obter uma compatibilidade geométrica entre o eixo e a menor

engrenagem, fazendo com que a distância entre a extremidade do rasgo de chaveta

e o círculo do dedendo fosse aproximadamente 3 𝑚𝑚, o que se julgou insuficiente.

Sendo assim, o valor do módulo adotado para as engrenagens foi o primeiro

valor da série 1 acima de 1,5; ou seja, 𝑚 = 2. Realizando, então, o mesmo

procedimento de cálculo, obtém-se a seguinte faixa de valores possíveis para 𝐹:

19 𝑚𝑚 ≤ 𝐹 ≤ 31 𝑚𝑚

Para este projeto foi definido 𝐹 = 20 𝑚𝑚. A escolha de um valor mais próximo

ao limite inferior da faixa obtida se deu em função de já se ter avançado algumas

etapas de cálculo antes de a necessidade da utilização de um módulo maior se tornar

patente. Tendo sido computada uma resistência ao desgaste considerada satisfatória

com esse valor de largura, não se julgou necessário a utilização de um valor maior.

Os valores obtidos são apresentados abaixo:

Diâmetro primitivo dos pinhões:

𝑑𝑝 = 44 𝑚𝑚

Diâmetro primitivo das coroas:

𝑑𝑝 = 130 𝑚𝑚

Velocidade no círculo primitivo do primeiro par de engrenagens:

𝑉 = 1,37 𝑚 𝑠⁄

Força tangencial no primeiro pinhão:

𝑊𝑡 = 896,22 𝑁

Fator dinâmico:

𝐾𝑣 = 0,75

44

Tensão na raiz do dente do primeiro pinhão:

𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴 = 66,06 𝑀𝑃𝑎

6.1.1. Resistência à Fadiga

Uma vez obtida a forma das engrenagens, é necessário calcular sua resistência

à fadiga. Essa etapa seguiu o roteiro de cálculo apresentado em [17]

𝑆𝑒 = 𝑘𝑎 𝑘𝑏 𝑘𝑐 𝑘𝑑 𝑘𝑒 𝑘𝑓 𝑆𝑒′ (6.11)

𝑆𝑒

′ = {𝑆𝑢𝑡

2⁄ ; 𝑆𝑢𝑡 ≤ 1400 𝑀𝑝𝑎

700; 𝑆𝑢𝑡 > 1400 𝑀𝑝𝑎 ; logo 𝑆𝑒

′ = 424 𝑀𝑝𝑎

Fator de Acabamento Superficial 𝑘𝑎 (Tabela 2 dos Anexos):

𝑘𝑎 = 𝑎 𝑆𝑢𝑡𝑏 = 0,755

Fator de Tamanho ou Dimensão 𝑘𝑏 (Tabela 4 dos Anexos):

𝑘𝑏(𝑚 = 2,0) = 0,974

Fator de confiabilidade 𝑘𝑐 (Tabela 5 dos Anexos):

𝑘𝑐(𝑅 = 0,99) = 0,814

Fator de temperatura 𝑘𝑑 (Tabela 6 dos Anexos):

𝑘𝑑(𝑇 < 350℃) = 1

Fator de concentração de tensões 𝑘𝑒:

Este fator já é computado no cálculo do fator de forma 𝐽

Efeitos diversos 𝑘𝑓 (Tabela 7 dos Anexos):

𝑘𝑓(𝑆𝑢𝑡 ≤ 1400 𝑀𝑝𝑎) = 1,33

Logo o limite de resistência á fadiga é:

𝑆𝑒 = 𝑘𝑎 𝑘𝑏 𝑘𝑐 𝑘𝑑 𝑘𝑒 𝑘𝑓 𝑆𝑒′ = 338,53 𝑀𝑃𝑎

Agora, pode-se calcular os fatores de segurança estático e dinâmico através

das expressões:

45

𝐹𝑆𝑒𝑠𝑡 =

𝑆𝑦

𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴 𝐾0𝐾𝑚

(6.12)

𝐹𝑆𝑑𝑖𝑛 =

2 𝑆𝑒 𝑆𝑢𝑡

(𝑆𝑒 + 𝑆𝑢𝑡)𝜎𝐴𝐺𝑀𝐴 𝐾0𝐾𝑚

(6.13)

O fator de sobrecarga 𝐾0 e o fator de distribuição de carga ao longo do dente 𝐾𝑚 são

obtidos através das tabelas 9 e 10 do apêndice, o que fornece 𝐾0 = 1,0 e 𝐾𝑚 = 1,3,

logo:

𝐹𝑆𝑒𝑠𝑡 = 6,24

𝐹𝑆𝑑𝑖𝑛 = 4,66

Segundo o material consultado, coeficientes de segurança entre 2 e 5 são

considerados médios, e acima de 5 considerados altos. De acordo com a proposta

conservadora de dimensionamento seguida ao longo de todo o projeto, os valores

acima foram considerados satisfatórios.

Uma última análise considerada interessante para o dimensionamento das

engrenagens é a quantificação do desgaste na superfície dos dentes, o que tem início

no cálculo da tensão de Hertz:

𝜎𝐻 = 𝐶𝑝√𝑊𝑇

𝐾𝑣 𝐹 𝑑𝑝 𝐼

(6.14)

Para um par de engrenagens de aço, como no caso presente, pode-se utilizar o valor

tabelado de 𝐶𝑝 que é 191 (Tabela 12 dos Anexos). A grandeza 𝐼 é um fator geométrico

que, no caso de engrenagens externas é obtido através de:

𝐼 =

cos 𝜃 sin 𝜃

2

𝑒

𝑒 + 1= 0,120

(6.15)

Obtido o valor de 𝐼, temos todos os valores necessários ao cálculo de 𝜎𝐻, logo:

𝜎𝐻 = 641,65 𝑀𝑃𝑎

Em seguida, calcula-se 𝑆𝐻:

𝑆𝐻 = 𝑆𝑐

𝐶𝐿 𝐶𝐻

𝐶𝑇 𝐶𝑅

(6.16)

Sendo 𝑆𝑐 a resistência ao desgaste superficial para uma vida de até 108 ciclos de

carregamento em 𝑀𝑃𝑎, e os demais valores seus modificadores, obtidos através das

46

tabelas 15 a 17 dos anexos, o que fornece, 𝐶𝐻 = 1,0; 𝐶𝑇 = 1,0; 𝐶𝑅 = 0,8; e 𝐶𝐿 = 1,0. A

grandeza 𝑆𝑐 é calculada através da fórmula:

𝑆𝐶 = 2,76 𝐻𝐵 − 70 = 1296,2 𝑀𝑃𝑎 (6.17)

Logo:

𝑆𝐻 = 1620,3

Finalmente, pode-se calcular o valor do coeficiente de segurança para o

desgaste superficial nos dentes:

𝐹𝑆𝑑𝑒𝑠𝑔 =

𝑆𝐻

𝜎𝐻= 2,53

(6.18)

6.2. Árvores

O dimensionamento das árvores seguiu um mesmo roteiro, aqui representado

pela árvore intermediária do multiplicador de velocidades. No caso da árvore do rotor,

tendo em vista a utilização do freio eletromagnético, optou-se por seguir a

recomendação do fabricante que determinava uma faixa de valores para o seu

diâmetro, tendo sua geometria sido definida em função desse valor, muito embora o

valor recomendado seja superior ao encontrado no processo de cálculo. Os valores

obtidos são apresentados no Apêndice.

Para as árvores de entrada e saída do multiplicador de velocidades, optou-se

por utilizar árvores de igual geometria, tendo o cálculo sido feito apenas para

verificação no eixo de entrada pois, dentre os dois, é o que está sujeito aos maiores

esforços.

Dimensionadas as engrenagens, são sabidos os esforços a que está sujeita a

árvore intermediária: As cargas tangencial e radial do primeiro pinhão, e as cargas

axial e tangencial da segunda coroa, ou seja:

𝑊𝑇1 = 896,22 𝑁

𝑊𝑅

1 =𝑊𝑇

1

tan 𝜃= 326,20 𝑁

𝑊𝑇2 = 303,34 𝑁

47

𝑊𝑅

2 =𝑊𝑇

2

tan 𝜃= 110,41 𝑁

Com o auxílio do programa MDSolids 4.0 buscou-se construir os diagramas do

esforço cortante e do momento fletor ao longo da árvore. Estimou-se um valor para o

comprimento total da árvore, depois, através de algumas tentativas, definiu-se a

posição das engrenagens buscando uma conformação que suavizasse as forças de

reação no apoio mais próximo ao pinhão.

Foram computadas as reações nos planos 𝑥𝑦 e 𝑥𝑧, obtendo-se as

configurações apresentadas nas figuras 6.1 e 6.2:

Figura 6.1 – Diagrama do carregamento, esforço cortante e momento fletor no plano xy.

48

Figura 6.2 – Diagrama do carregamento, esforço cortante e momento fletor no plano xz.

Estão determinadas, então, as reações nos apoios A e B do eixo nos dois planos:

𝑅𝐴𝑥𝑦 = 585,22 𝑁; 𝑅𝐴

𝑥𝑧 = −270,25 𝑁

𝑅𝐵𝑥𝑦 = 7,66 𝑁; 𝑅𝐵

𝑥𝑧 = −166,36 𝑁

Fazendo a soma vetorial das forças obtidas, tem-se:

𝑅𝐴 = √ (585,22)2 + (−270,25)2 = 644,61 𝑁

𝑅𝐵 = √ (7,66)2 + (−166,36)2 = 166,54 𝑁

Estes valores serão importantes posteriormente para o dimensionamento adequado

dos rolamentos, e determinação da sua vida útil. Combinando, então, os momentos

nos dois planos, obtém-se o valor do momento total atuante em cada seção.

49

𝑀(𝑥) = √ (𝑀𝑦)

2+ (𝑀𝑧)2

Figura 6.3 – Momento fletor total ao longo do eixo intermediário.

A seção mais crítica encontrada nos cálculos foi mesmo a seção de máximo

momento, onde se encontra o pinhão. Para as etapas subsequentes, faz-se

necessário a definição do material de que será fabricada a árvore, então, partindo de

aços de baixo carbono, foram feitas algumas tentativas até a definição pelo aço AISI

1050 temperado e revenido à 205℃, que apresenta as seguintes propriedades:

𝑆𝑢𝑡 = 1120 𝑀𝑃𝑎

𝑆𝑦 = 807 𝑀𝑃𝑎

Com esses valores, calcula-se a resistência à fadiga do elemento:

𝑆𝑒 = 𝑘𝑎 𝑘𝑏 𝑘𝑐 𝑘𝑑 𝑘𝑒 𝑘𝑓 𝑆𝑒′ (6.19)

Os fatores acima são calculados de maneira análoga aos apresentados no

dimensionamento das engrenagens, logo temos:

45,13

11,65

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

M(x

) [N

.m]

x [mm]

50

Fator de Acabamento Superficial 𝑘𝑎 (Tabela 2 dos Anexos – material usinado):

𝑘𝑎 = 𝑎 𝑆𝑢𝑡𝑏 = 0,702

Fator de Tamanho ou Dimensão 𝑘𝑏 (Tabela 3 dos Anexos – calculado de forma

iterativa):

𝑘𝑏(𝑑) = 0,916

Fator de confiabilidade 𝑘𝑐 (Tabela 5 dos Anexos):

𝑘𝑐(𝑅 = 0,99) = 0,814

Fator de temperatura 𝑘𝑑 (Tabela 6 dos Anexos):

𝑘𝑑(𝑇 < 350℃) = 1

Fator de concentração de tensões 𝑘𝑒 (Tabela 8 dos Anexos – rasgo de

chaveta):

𝑘𝑒 =

1

𝑘𝑓∗ = 0,5

Logo o limite de resistência á fadiga é:

𝑆𝑒 = 146,45 𝑀𝑃𝑎

De posse desse valor, e utilizando o coeficiente de segurança recomendado de

1,5; calcula-se através da equação de Soderberg:

𝑑𝑚𝑖𝑛 = {32 𝐶𝑆

𝜋 [(

𝑀

𝑆𝑒)

2

+ (𝑇

𝑆𝑦)

2

]

12

}

13

=̃ 17 𝑚𝑚

(6.20)

Tendo sido o calculado o diâmetro mínimo na seção para resistir aos esforços

atuantes na seção crítica, a seção onde será fixada o pinhão por meio de chaveta,

optou-se por se utilizar um diâmetro de 22 𝑚𝑚, pois, nesse caso, mesmo com o rasgo

de chaveta, o diâmetro da seção não é inferior à 17 𝑚𝑚.

51

6.3. Rolamentos

Nesta sessão será exposto o método utilizado para a escolha dos rolamentos,

e, de forma a melhor representar os cálculos envolvidos, serão apresentados os

rolamentos do eixo intermediário do variador de velocidade. No caso da árvore do

rotor, em virtude de se ter optado por diâmetros maiores do que os calculados, por

conta do freio e da concentração de tensões nas variações de seção, os rolamentos

foram escolhidos basicamente pelo diâmetro e pela adequação ao tipo de solicitação.

Foram então especificados rolamentos autocompensadores de duas carreiras de

esferas visando minimizar os esforços transmitidos para os demais componentes do

aerogerador.

No caso dos rolamentos utilizados no sistema de guinada, o caso é semelhante,

uma vez que sua função é apenas de conferir o grau de liberdade necessário à

orientação do rotor em relação a direção do vento, espera-se rotações inferiores ao

valor de 10 𝑟𝑝𝑚, seu dimensionamento se dá apenas através da capacidade de carga

estática. Assim sendo, foram utilizados dois rolamentos radiais de esferas, e um

rolamento axial de esferas que sustenta o peso da nacele sobre a torre. Os detalhes

dos rolamentos da árvore do rotor e do sistema de guinada estão apresentados no

Anexo.

Partindo, então, das reações de apoio calculadas anteriormente, tomando

como limitante a maior carga, aplicada na seção 𝐴. Os demais passos da seleção

seguiram as recomendações do catálogo do fabricante SKF. Não foram consideradas

cargas axiais, admitindo que esse tipo de carregamento seria absorvido pelos mancais

do eixo e pelo acoplamento utilizado. Não havendo carga axial, a carga dinâmica é a

própria reação de apoio em 𝐴. O rolamento escolhido foi o SKF 6203 ETN9, cujas

características estão apresentadas na figura 6.3.

52

Figura 6.4 – Dados do rolamento selecionado para o multiplicador de velocidades [18].

Para esse rolamento, então, tem-se um coeficiente de segurança estático:

𝑠0 =

𝐶0

𝑃0= 8,38

(6.21)

Uma vida nominal básica de:

𝐿10 = (

𝐶

𝑃)

3

= 5,53 𝑥 109 𝑟𝑒𝑣. (6.22)

53

Para o cálculo da vida nominal SKF, horas, utiliza-se a seguinte expressão:

𝐿𝑛𝑚𝐻 =

106

60 𝑛𝑎1 𝑎𝑆𝐾𝐹 𝐿10

(6.23)

sendo 𝑛 a rotação de operação, nesse caso, 592 𝑟𝑝𝑚. O fator 𝑎1está relacionado à

confiabilidade do resultado, e foi utilizado o valor 0,64; compatível com uma

confiabilidade de 95%. O fator 𝑎𝑆𝐾𝐹 está relacionado às condições de operação,

levando em conta, principalmente, a lubrificação do rolamento e a contaminação do

lubrificante devido às condições do ambiente. Seguindo os procedimentos

determinados no catálogo, foi estimado um valor de 0,5 para esse coeficiente. Então:

𝐿𝑛𝑚𝐻 =̃ 50.000 ℎ

O valor obtido acima foi considerado satisfatório de acordo com as

recomendações do fabricante, que apresenta uma faixa de valores, para a aplicação

em questão, entre 30.000 ℎ e 100.000 ℎ. O rolamento de mesma dimensão com

capacidade de carga superior ao escolhido possui vida calculada superior à faixa

apresentada.

6.4. Chavetas

As chavetas foram especificadas de acordo com as dimensões tabeladas em

função do diâmetro do eixo em que serão utilizadas. De acordo com a tabela 13 dos

anexos, temos as dimensões padronizadas de:

𝑏 = 6 𝑚𝑚

𝐻 = 6 𝑚𝑚

São elementos mecânicos de baixa complexidade e que atuam como fusíveis

mecânicos do projeto. Sendo assim, não é desejável que esses elementos

apresentem coeficientes de segurança elevados. Seguindo as orientações de [15] foi

utilizado 𝐶𝑆 = 1,5; e seu dimensionamento se deu através da análise de sua

compressão e de seu cisalhamento.

O material escolhido para a fabricação das chavetas foi o aço AISI 1020

estirado a frio, um aço com baixo teor de carbono e que apresenta as seguintes

propriedades relevantes:

54

𝑆𝑢𝑡 = 440 𝑀𝑃𝑎

𝑆𝑦 = 370 𝑀𝑃𝑎

Através das tensões admissíveis pode-se obter o comprimento 𝐿 das chavetas,

única dimensão faltante para seu completo dimensionamento, assim sendo, tem-se:

𝜎𝑎𝑑𝑚 =

𝑆𝑦

𝐶𝑆= 213,3 𝑀𝑃𝑎

(6.24)

𝜏𝑎𝑑𝑚 =

𝑆𝑠𝑦

𝐶𝑆=

0,577 𝑆𝑦

𝐶𝑆= 123,1 𝑀𝑃𝑎

(6.25)

As tensões de compressão e cisalhamento atuantes na chaveta, são respectivamente:

𝜎 =

2 𝑇

𝑑 𝐵 𝐿

(6.26)

𝜏 =

4 𝑇

𝑑 𝐻 𝐿

(6.27)

Isolando o comprimento 𝐿, tem-se:

𝐿𝜎 =

2 𝑇

𝑑 𝐵 𝜎𝑎𝑑𝑚= 5,46 𝑚𝑚

𝐿𝜏 =

4 𝑇

𝑑 𝐻 𝜏𝑎𝑑𝑚= 6,30 𝑚𝑚

Foi adotado, então o comprimento de 7 𝑚𝑚.

55

7. Torre

Para a determinação dos elementos da torre, buscou-se a utilização de tubos

de padrão comercial, e foram consultados catálogos de diferentes fabricantes a fim de

se escolher um tubo de fácil aquisição. Os cálculos que serão apresentados abaixo

foram feitos para tubos de diferentes dimensões até a obtenção de um coeficiente de

segurança considerado satisfatório. Não serão abordados aspectos relacionados ao

dimensionamento da fundação da torre.

O tubo selecionado foi o tubo de aço ASTM A-36 com costura, diâmetro externo

de 114,3 𝑚𝑚 e espessura de 4,75 𝑚𝑚. Este tubo é próprio para estruturas metálicas,

e a norma brasileira similar é a NBR 8261. Suas propriedades de interesse são:

𝑆𝑦𝑚í𝑛= 250 𝑀𝑃𝑎

400𝑀𝑃𝑎 ≤ 𝑆𝑢𝑡 ≤ 550 𝑀𝑃𝑎

𝐸 = 200 𝐺𝑃𝑎

𝑑𝑒 = 114,3 𝑚𝑚

𝑑𝑖 = 104,8 𝑚𝑚

Como os tubos de padrão mais comum são fornecidos com comprimento máximo de

6 𝑚, a torre será composta por um tubo inteiro mais uma seção de 3,5𝑚 de outro tubo.

As uniões, seja do tubo com a fundação, ou dos tubos entre si, serão feitas por flanges

de padrão comercial associados à norma ANSI B16.5, unidos por parafusos, porcas e

arruelas M16. O restante do comprimento da torre, ou seja, 0,5𝑚, corresponde à base

do sistema de guinada, onde se sustenta a nacele e se acomodam os rolamentos

especificados.

Para o cálculo da resistência da torre, ela será modelada como uma viga

engastada em sua base, atuando na outra extremidade a força normal ao plano do

rotor 𝐹𝑁 e o peso do conjunto da nacele. Com o auxílio do software SolidWorks,

estimou-se o peso do conjunto como sendo igual a 2000 𝑁. Logo:

𝑃 = 2000 𝑁

𝐹𝑁 = 310 𝑁

O momento de inércia da seção escolhida é calculado através de:

56

𝐼 =

𝜋(𝑑𝑒4 − 𝑑𝑖

4)

64= 2,46 𝑥 10−6 𝑘𝑔. 𝑚2

(6.28)

Para o cálculo da carga crítica de flambagem, retiramos da tabela 14 dos anexos o

valor da constante 𝑐 associada ao tipo de extremidade, assim, tem-se:

𝑃𝑐𝑟 =

𝑐 𝜋2𝐸 𝐼

𝐻2= 12,12 𝑘𝑁

(6.29)

Com esse valor calculado, pode-se obter, finalmente, o coeficiente de segurança para

a flambagem:

𝐶𝑆 =

𝑃𝑐𝑟

𝑃= 4,85

(6.30)

Sendo o valor acima considerado satisfatório, calcula-se a resistência à carga

𝐹𝑁, e ao momento fletor gerado por ela:

𝑀 = 𝐹𝑁 𝐻 = 3100 𝑁. 𝑚

As tensões normais e cisalhantes são, então:

𝜎 =

𝑀

[𝜋(𝑑𝑒

2 − 𝑑𝑖2)

32 𝑑𝑒]

= 72,11 𝑀𝑃𝑎 (6.31)

𝜏 = 1,33

𝑉

𝐴 (

𝑟𝑒2 + 𝑟𝑒𝑟𝑖 + 𝑟𝑖

2

𝑟𝑒2 + 𝑟𝑖

2 ) = 0,378 𝑀𝑝𝑎 (6.32)

Dada a diferença entre as ordens de grandeza das tensões acima, a tensão máxima

atuante calculada pelo critério de von Mises é aproximadamente igual a tensão

normal, senso assim:

𝐶𝑆 =

𝑆𝑦

𝜎= 3,47

Assim como no caso anterior, o valor obtido foi considerado satisfatório para a

aplicação.

57

8. Conclusão

Para a elaboração deste projeto foram utilizados diversos conhecimentos

adquiridos ao longo do curso de Engenharia Mecânica. Buscando sempre a tomada

de decisões embasadas, foram consultadas diferentes literaturas sobre variados

assuntos, exemplificando a complexidade do processo de se projetar. Também ficou

clara a importância dessa experiência para o processo de formação de um

engenheiro.

Ao longo da elaboração do presente texto, buscou-se não só expor os

resultados obtidos, mas as etapas do processo, incluindo algumas tentativas que não

obtiveram êxito. Isso foi feito com o intuito de evidenciar a não-linearidade do ato de

se projetar, ato complexo e em que, muitas vezes, é necessário que se avance por

uma série de etapas até que se descubra uma incompatibilidade entre as escolhas

feitas, sendo necessário percorrer as diversas etapas novamente.

Colocando em perspectiva os objetivos iniciais e os resultados obtidos, pode-

se dizer que o resultado foi satisfatório. Porém, para que o aerogerador desenvolvido

nesse projeto chegue à fase de produto pronto para a fabricação ainda há a

necessidade de uma série de etapas posteriores, como por exemplo, a análise dos

custos totais do projeto e em quanto tempo se obteria o retorno do valor investido.

Somado ao estágio em ambiente industrial, onde a vivência do dia-a-dia do

setor de engenharia apresentou as dificuldades da rotina do engenheiro, este projeto,

com certeza, é uma das experiências que mais contribuíram para a minha formação.

8.1. Sugestões de Trabalhos Futuros

Muito embora a geometria da pá apresentada nesse projeto tenha apresentado

bons resultados nas etapas de cálculo, uma forma de validar esses resultados seria

através de simulações do escoamento ao redor da pá. Uma proposta interessante

seria a realização desse tipo de simulação, não só para a forma de pá apresentada,

mas para diferentes geometrias, utilizando variados aerofólios e comparando os

resultados obtidos.

Outra possibilidade seria a inclusão dos sistemas elétrico e de controle,

aspectos que não foram abordados no presente trabalho. A inclusão de sensores para

58

a detecção da direção do vento, o mecanismo de guinada com motor de passo e a

modelagem da resposta do sistema considerando as variações de direção e

intensidade do vento também somariam bastante ao projeto como um tudo.

Ainda outra possibilidade seria a análise das respostas dinâmicas do sistema

apresentado, considerando a resposta dos elementos submetidos à diferentes

condições de operação, análise da rigidez dos elementos propostos e formas de se

mitigar os efeitos observados.

59

9. Referências Bibliográficas

[1] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (Brasil) (ANEEL). Atlas Nacional

de Energia Elétrica. 1. ed. – Brasília : Aneel, 2002. Disponível em:

<http://www2.aneel.gov.br/arquivos/pdf/livro_atlas.pdf> Acesso em: 26/11/2017

[2] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (Brasil) (ANEEL). Atlas Nacional

de Energia Elétrica. 3. ed. – Brasília : Aneel, 2008. Disponível em:

<http://www.aneel.gov.br/documents/656835/14876406/atlas3ed_.pdf/ad6dfab8-

d770-47fc-9472-2f80ee18c97f>. Acesso em: 28/11/2017

[3] AMARANTE, O. A. C.; et al. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. Brasília: MME;

Rio de Janeiro: Eletrobrás, 2001. Disponível em:

<http://www.cresesb.cepel.br/atlas_eolico_brasil/atlas-web.htm>. Acesso em 2016-

11-28

[4] AMÊNDOLA, C. A. M., Contribuição ao estudo de aerogeradores de velocidade

e passo variáveis com gerador duplamente alimentado e sistema de controle

difuso. 2007. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Escola de Engenharia de

São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.

doi:10.11606/T.18.2007.tde-06122007-142431. Acesso em: 28/11/2016.

[5] INTERNATIONAL ENERGY AGENCY (IEA). Brazil: Balance (2014). Disponível

em: <https://www.iea.org/Sankey/#?c=Brazil&s=Balance> Acesso em: 28/11/2017

[6] INTERNATIONAL ENERGY AGENCY (IEA). Key World Energy Statistics. Paris,

2016a. Disponível em:

http://www2.aneel.gov.br/arquivos/pdf/livro_atlas.pdf

http://www.aneel.gov.br/documents/656835/14876406/atlas3ed_.pdf/ad6dfab8-d770-47fc-9472-2f80ee18c97f

http://www.aneel.gov.br/documents/656835/14876406/atlas3ed_.pdf/ad6dfab8-d770-47fc-9472-2f80ee18c97f

https://www.iea.org/Sankey/#?c=Brazil&s=Balance

60

<https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2016.pdf>.

Acesso em: 28/11/2017

[7] INTERNATIONAL ENERGY AGENCY (IEA). Key Renewable Trends, Excerpt

from: Renewables Information. Paris, 2016b. Disponível em:

<http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyRenewablesTrends.

pdf>. Acesso em: 28/11/2017

[8] MELO, M. S. de M., Energia Eólica: Aspectos Técnicos e Econômicos. 2012.

Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Planejamento Energético, Rio

de Janeiro, 2012. Disponível em:

<http://www.ppe.ufrj.br/ppe/production/tesis/marcelo_melo.pdf>. Acesso em:

28/11/2017

[9] THRESHER, R; ROBINSON, M; VEERS, P. Wind Energy Technology: Current

Status and R&D Future. In: PHYSICS OF SUSTAINABLE ENERGY CONFERENCE.

2008. University of California at Berkeley. Disponível em:

<http://www.nrel.gov/docs/fy08osti/43374.pdf>. Acesso em 28/11/2017

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

Economics, 3. ed., Springer, 2012

[11] MANWELL, J, F. et. al., Wind Energy Explained Theory, Design and

Application, 2. ed., Wiley – 2009

[12] MCDONALD, A., T., FOX, R., W., PRITCHARD, P., J., Introduction to Fluid

Mechanics, 6. ed., John Wiley & Sons – EUA, 2004

[13] BURTON, T., et. al. Wind Energy Handbook, 1. ed., John Wiley & Sons – 2001

[14] DNV/Risø, Guidelines for Design of Wind Turbines, 2. ed., Dinamarca – 2002

https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2016.pdf

http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyRenewablesTrends.pdf

http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyRenewablesTrends.pdf

http://www.ppe.ufrj.br/ppe/production/tesis/marcelo_melo.pdf

http://www.nrel.gov/docs/fy08osti/43374.pdf

61

[15] BUDYNAS, R. G., NISBETT, J. K., Elementos de Máquina de Shigley:

Projeto de Engenharia Mecânica, 8. ed., 2008.

[16] DE VRIES, O. Fluid Dynamic Aspects of Wind Energy Conversion. Advisory

Group for Aerospace Research and Development, North Atlantic Treaty Organization,

AGARD-AG-243, 1979

[17] DE MARCO, F., Notas de aula de Elementos de Máquina I e II, Departamento

de Engenharia Mecânica, UFRJ

[18] SKF, <http://www.skf.com>. Acesso em 28/11/2017

[19] MAYR, <http://www.mayr.com>. Acesso em 28/11/2017

[20] GERDAU, <http://www.gerdau.com.br>. Acesso em 28/11/2017

[21] WEG, <http://www.weg.net/br>. Acesso em 28/11/2017

http://www.skf.com/

http://www.mayr.com/

http://www.gerdau.com.br/

http://www.weg.net/br

62

Apêndice

a) Dimensionamento da Árvore do Rotor:

Material: Aço 1050 Temperado e Revenido a 205°

-𝑆𝑢𝑡 = 1120 𝑀𝑃𝑎;

-𝑆𝑦 = 807 𝑀𝑃𝑎;

-𝐶𝑆 = 2;

-𝑆𝑎𝑑𝑚 = 538 𝑀𝑃𝑎;

𝑃ℎ𝑢𝑏 = 500 𝑁 (𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑎𝑑𝑜);

𝑀 = 45,0 𝑁. 𝑚; 𝑇 = 58,3 𝑁. 𝑚;

𝑅𝐴 = 663,04 𝑁, 𝑅𝐵 = −163,04 𝑁;

Fig. A.1 – Esforços na Árvore do Rotor

63

𝑆𝑒′ =

𝑆𝑢𝑡

2= 560 𝑀𝑃𝑎;

𝑘𝑎 = 4,51 𝑆𝑢𝑡−0,265 = 0,702;

𝑘𝑏 = 1,24 𝑑−0,107, iterativamente tem-se 𝑘𝑏 = 0,905;

𝑘𝑐 = 0,814;

𝑘𝑑 = 1;

𝑘𝑒 = 1

𝑘𝑓∗ ; 𝑘𝑓

∗ = 1 + 𝑞 (𝑘𝑡 − 1);

𝑞 = 0,9; 𝑘𝑡 = 2,2 → 𝑘𝑓∗ = 2,08 → 𝑘𝑒 = 0,481;

𝑆𝑒 = 𝑘𝑎 𝑘𝑏 𝑘𝑐 𝑘𝑑 𝑘𝑒 𝑆𝑒′ = 139,15 𝑀𝑃𝑎;

𝑑𝑚𝑖𝑛 = √ {32 𝐶𝑆

𝜋 [(

𝑀

𝑆𝑒)

2

+ (𝑇

𝑆𝑦)

2

]}3

≅ 19𝑚𝑚;

b) Dimensionamento da Árvore de Entrada do Variador de Velocidade:

Material: Aço 1050 Temperado e Revenido a 205°

-𝑆𝑢𝑡 = 1120 𝑀𝑃𝑎;

-𝑆𝑦 = 807 𝑀𝑃𝑎;

-𝐶𝑆 = 1,5;

-𝑆𝑎𝑑𝑚 = 538 𝑀𝑃𝑎;

𝑊𝑡 = 896,22 𝑁; 𝑊𝑟 = 326,22 𝑁; 𝑇 = 58,3 𝑁. 𝑚;

|𝑅𝐴| = 402,95 𝑁; |𝑅𝐵| = 550,79 𝑁;

64

Figura A.2 – Esforços no plano xy.

Figura A.3 – Esforços no plano xz.

65

Figura A.4 – Momento fletor combinado.

𝑆𝑒′ =

𝑆𝑢𝑡

2= 560 𝑀𝑃𝑎;

𝑘𝑎 = 4,51 𝑆𝑢𝑡−0,265 = 0,702;

𝑘𝑏 = 1,24 𝑑−0,107, iterativamente tem-se 𝑘𝑏 = 0,928;

𝑘𝑐 = 0,814;

𝑘𝑑 = 1;

𝑘𝑒 = 1

𝑘𝑓∗ ; 𝑘𝑓

∗ = 2 → 𝑘𝑒 = 0,5;

𝑆𝑒 = 𝑘𝑎 𝑘𝑏 𝑘𝑐 𝑘𝑑 𝑘𝑒 𝑆𝑒′ = 148,42 𝑀𝑃𝑎;

𝑑𝑚𝑖𝑛 = √ {32 𝐶𝑆

𝜋 [(

𝑀

𝑆𝑒)

2

+ (𝑇

𝑆𝑦)

2

]}3

≅ 15𝑚𝑚;

27,92

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200

M [

N.m

]

x [mm]

Momento Total

66

Anexos:

Tabela 1 – Fator de forma J da AGMA para ângulo de pressão 20°

Tabela 2 – Fator de acabamento superficial 𝑘𝑎.

67

Tabela 3 – Fator de Tamanho 𝑘𝑏.

Tabela 4 – Fator de tamanho 𝑘𝑏 em função do módulo da engrenagem.

68

Tabela 5 – Fator de confiabilidade 𝑘𝑐 .

Tabela 6 – Fator de temperatura 𝑘𝑑.

Tabela 7 – Fator de efeitos diversos 𝑘𝑓 para engrenagens.

69

Tabela 8 – Fator 𝑘𝑓∗ para rasgos de chaveta.

Tabela 9 – Fator de sobrecarga 𝐾0.

Tabela 10 – Fator de distribuição de carga ao longo do dente 𝐾𝑚.

70

Tabela 11 – Fator dinâmico 𝐾𝑣.

Tabela 12 – Valor 𝐶𝑝em função dos materiais do pinhão e da coroa.

Tabela 13 – Dimensões padronizadas para chavetas em função do diâmetro do eixo.

71

Tabela 14 – Fator de vínculo 𝑐 em função do tipo de extremidade.

Tabela 15 – Valores de 𝐶𝑇.

Tabela 16 – Valores de 𝐶𝑅.

Tabela 17 – Valores de 𝐶𝐿.

72

Figura 1 – Informações sobre o acoplamentos tamanho 19 e 24 utilizados.

1° Diedro

200

0

100

00

A

A

B

D

E

CORTE A-A

36

42

22

2

29

30 28

1

3

40

23

24

9

52

4543

6

8

28

44

26

27

48

57 59 58545655

C

CDETALHE B

ESCALA 1 : 4

15

14

19

13 20

12

11

61

21

16

18

51

60

CORTE C-CESCALA 1 : 4

49 4

50 4

17

11

10

DETALHE DESCALA 1 : 4

35

34

32

31

33

DETALHE EESCALA 1 : 4

46

25 4

38

7

37

5

41

5347

39

ITEM DESCRIÇÃO MATERIAL QTD

1 Fixador da Pá Aço 1020 3

2 Elemento Estrutural da Pá Aço 1020 3

3 Corpo da pá Espuma de Poliuretano 3

4 Arruela Lisa Estreita M6 Aço 50

5 Árvore do Rotor Aço 1050 1

6 Suporte do Freio Chapa de Aço # 1/8" 1

7 Mancal de Rolamento SKF SNL 206 Vide Catálogo 2

8 Acoplamento Elástico Mayr ROBA-ES 24 Vide Catálogo 1

9 Acoplamento Elástico Mayr ROBA-ES 19 Vide Catálogo 1

10 Base da Caixa do Variador de Velocidades Ferro Fundido 1

11 Parte Intermediária da Caixa do Variador de Velocidades Ferro Fundido 1

12 Rolamento de Esferas SKF 6203 ETN9 Vide Catálogo 6

13 Árvore de Saída do Variador de Velocidades Aço 1050 2

14 Árvore Intermediária do Variador de Velocidades Aço1050 1

15 Tampa do Variador Ferro Fundido 2

16 Tampa com Vedação Ferro Fundido 2

17 Tampa da Caixa do Variador de Velocidades Ferro Fundido 1

18 Chaveta do Variador de Velocidades Aço 1020 4

19 Engrenagem m=2; z = 65; F=20; Θ=20° Aço 1030 2

20 Engrenagem m=2; z=22; F=20; Θ=20° Aço1030 2

21 Anel de Vedação Feltro 2

22 Motor Elétrico WEG W22 IR3 Premium Vide Catálogo 1

23 Parte Superior da Nacelle Fibra de Vidro 1

24 Parte Inferior da Nacelle Fibra de Vidro 1

25 Parafuso Cabeça Sextavada M6 x 50 Aço 18

26 Tubo Flangeado 6m Tubo ASTM A-36 1

27 Tubo Flangeado 3,5m Tubo ASTM A-36 1

28 Arruela Lisa Estreita M16 Aço 32

29 Parafuso Cabeça Sextavada M16 x 80 x 38 Aço 16

30 Porca M16 Aço 16

31 Base do Sistema de Guinada Aço 1020 1

32 Tubo Espaçador dos Rolamentos Aço 1020 1

33 Eixo do Sistema de Guinada Aço 1020 1

34 Rolamento de Esferas SKF 51115 Vide Catálogo 2

35 Rolamento Axial de Esferas SKF 16010 Vide Catálogo 1

36 Acabamento Frontal Fibra de Vidro 1

37 Anel Espaçador Aço 1020 1

38 Rolamento Autocompensador de Dupla Carreira de Esferas SKF 1206 ETN9 Vide Catálogo 2

39 O-ring Ø 60mm Borracha 1

40 Estrutura Tubo de Aço 80 x 40 1

41 Cubo do Rotor Ferro Fundido 1

42 Freio Eletromagnético Mayr ROBA-quick 6 Vide Catálogo 1

43 Arruela Lisa Estreita 8mm Aço 8

44 Porca M8 Aço 4


46 Porca M24 Aço 1

47 Contraporca M24 Aço 1

48 Anel Espaçador #2 Aço 1020 1


50 Porca M6 Aço 16


52 Chaveta do Freio Aço 1020 1

53 Chaveta do Rotor Aço 1020 1


55 Arruela Lisa M10 Aço 8

56 Porca M10 Aço 8


58 Arruela Lisa M12 Aço 4

59 Porca M12 Aço 4




Conjunto: Aerogerador

Prof. Armando Carlos de Pina Filho

Data: 26/08/18

Projeto Final de Graduação

Desenho 1

UFRJ

Escala 1:10

Unidade: mm

PROJETO DE UM AEROGERADOR DE PEQUENO PORTE...

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