Desenvolvimento de uma metodologia para a otimização de rotores de aerogeradores

Abstract

Este trabalho visa desenvolver uma metodologia de projeto e otimização aero estrutural de rotores de turbinas eólicas submetidos a um determinado carregamento de vento. Para tal, são abordados temas desde a escolha dos perfis aerodinâmicos até uma análise fluido-estrutura (FSI) da pá. Além disso, um processo de otimização de análise de projeto multidisciplinar (Multidisciplinary Analysis Optimization, MDAO) foi definido para a estrutura com o intuito de otimizar seu desempenho aerodinâmico e estrutural através do desenvolvimento de um sistema de interação fluido-estrutural e análise numérica. Os objetivos são maximizar a eficiência aerodinâmica e a robustez estrutural, reduzindo sua massa total e, consequentemente, seu custo inicial. O trabalho aborda diferentes variáveis de projeto como o ângulo de torção, valores de corda e peso da estrutura. Condições de restrições como a tensão máxima admissível e o distanciamento das frequências modais são parâmetros que limitam o problema. As novas formas de otimização analítica das geometrias, advindas das equações de Betz e Schmitz, considerando ou não o fator de perda de Prandtl (F), são geradas a partir do Matlab®, em todo seu comprimento, assim como o projeto-base. A partir daí, com os novos valores de corda e ângulo de torção, que visam a manutenção do ângulo de ataque ótimo do perfil, foi possível projetar novas geometrias. Os casos foram simulados tanto no Qblade, quanto no Ansys Fluent® e pode-se perceber um ganho na potência produzida. Finalmente, uma análise estrutural foi realizada com o intuito de conhecer o campo de tensão ao longo da pá, utilizando o solver Static Structural do próprio Ansys. É mostrado que nenhum dos casos ultrapassa o limite de falha do material. Ademais, foi possível, realizar um processo interativo para reduzir o peso inicial da estrutura. Por fim, diante dos quatros casos simulados, foi possível perceber que a otimização de Schmitz foi o caso que o obteve o melhor resultado. Deste modo, foi possível, obter uma metodologia de projeto/otimização de pás de turbinas eólicas.