Formulação para o galope estrutural em três graus de liberdade via método dos elementos finitos : aplicação na análise dinâmica de aerogeradores com torre de seção não circular

Abstract

O potencial energético oriundo das forças do vento proporciona uma alternativa para a obtenção de energia elétrica de forma limpa e com baixo impacto ambiental. Com isso, o segmento eólico mundial vem passando por uma constante evolução em seu cenário referente a implantações de parques e desenvolvimento de novas tecnologias. Com o aumento das dimensões dos aerogeradores (upscaling), novas torres têm sido implantadas objetivando vencer as limi- tações de transporte e instalação. Dentre essas estruturas, destaca-se: Hexcrete, tetradecagonal e modular. Ao fugir das torres de seções circulares convencionais, novos efeitos devem ser considerados na análise dinâmica, entre eles o galope estrutural, que é um fenômeno de instabi- lidade aerodinâmica responsável por causar aumento na amplitude da torre (deslocamentos e rotações). Diferente das seções circulares, as torres analisadas têm variações nos coeficientes aerodinâmicos em função do ângulo de ataque. Além disso, um aerogerador tem vários fatores que impactam na velocidade do vento, dentre eles se destaca o Wind Shear e Tower shadow, além da própria turbulência do vento. Nesse trabalho foi desenvolvida uma formulação via método dos elementos finitos para computar os efeitos do amortecimento aerodinâmico na torre, através dos coeficientes e suas derivadas em função da velocidade do vento e também do ângulo de ataque. Essa abordagem permite analisar regiões susceptíveis ao galope estrutural considerando os três graus de liberdade: dois translacionais (paralelo e transversal à direção do vento) e um rotacional. Para a obtenção dos coeficientes aerodinâmicos e suas derivadas, foram realizadas simulações computacionais para as seções em questão através do programa ANSYS em seu módulo CFX. Uma vez realizados os ensaios numéricos, foram criados ábacos para aplicação no módulo estrutural. Para computar as cargas aerodinâmicas no rotor, foram realizadas simulações no programa FAST, utilizando a turbina modelo NREL 5-MW, permitindo validações com a literatura. De posse dos parâmetros aerodinâmicos da torre e carregamento no rotor, foi aplicado no código em MATLAB. Comparações com as demais formulações encontradas na literatura referente ao amortecimento estrutural e aerodinâmico indicaram que o sistema em três graus de liberdade (MEF) proporciona ao projetista a capacidade de indicar regiões mais vulneráveis ao galope estrutural, e também permite capturar efeitos não computados pelas demais análises que possam impactar na estabilidade estrutural. A torre foi analisada para diferentes seções (não circulares) e adotando vários casos de carregamento e ângulo de incidência do vento, avaliando a suscetibilidade à instabilidade aerodinâmica.