Contribuições ao estudo de aeroelasticidade de pás de turbinas eólicas utilizando o método dos elementos finitos. - Lapa, Gabriel Vicentin Pereira (2023)
A geração de energia elétrica por turbinas eólicas não só representa potencialidade, mas já é uma realidade implantada em grande escala, inclusive no Brasil. Além de instalações em terra e na costa, estão sendo buscadas soluções de instalações em regiões offshore de turbinas flutuantes. Este trabalho tem como proposta a modelagem computacional e o estudo dinâmico do rotor da turbina eólica de referencia IEA Wind TCP Task 37 de 15MW. A investigação considerou os carregamentos dinâmicos em pás, bem como os seus efeitos aeroelásticos, a fim de avaliar seus comportamentos em diferentes condições de rigidez à torção e velocidade de vento. Para isso, a teoria BEM (Blade Element Momentum) foi implementada no software de elementos finitos Giraffe que utiliza a formulação geometricamente exata de vigas, permitindo a realização de simulações aeroelásticas em pás prismáticas com perfil NACA0018. Os resultados obtidos mostraram boa concordância com os gerados pelos programas OpenFAST e HAWC2. Além disso, uma simulção dinâmica do rotor da turbina IEA 15 MW com velocidade de vento nominal foi analisada. Verificou-se que houve oscilações de movimento da pá predominantemente na frequência de rotção do rotor nas direções flapwise e edgewise, com movimento do primeiro modo de vibrar. Outras simulações também foram feitas com diversas velocidades de vento, considerando rijezas à torção das pás original e amplificada. Ao comparar os resultados obtidos, verificou-se que a rigidez à torção original resultou em reduções nos picos de empuxo no rotor, no deslocamento médio na direção flapwise na ponta da pá e no momento médio que gera curvatura na direção flapwise na base da pá. As simulações com rigidez original também mostraram uma queda significativa no torque aerodinâmico na região de velocidade de ventos altos, evidenciando a importância de considerar deformações por torção na definição das curvas de operação da turbina, tendo impacto direto na produção de energia. Ademais, é importante destacar que o processo de peak shaving também é afetado, uma vez que a consideração da rigidez à torção amplificada pode resultar em ajustes excessivos, tendo em vista que as regiões de corte e os valores de empuxo são menores. Diante dessas diferenças, foi proposta uma nova curva pitch, considerando o torque aerodinâmico desejado.