Controle estrutural de vibrações em torres tubulares de aço para aerogeradores de eixo horizontal

Abstract

A energia eólica, uma fonte renovável obtida a partir do vento, tem apresentado um crescimento significativo na capacidade instalada tanto global quanto nacionalmente nos últimos anos. Com o aumento da demanda por eletricidade, turbinas eólicas de grande porte vêm sendo implantadas, exigindo torres mais altas para capturar ventos mais intensos e economicamente viáveis. No entanto, devido à elevada altura e à estrutura esbelta dessas torres, elas se tornam mais suscetíveis a vibrações, tornando essencial a adoção de técnicas de controle estrutural para mitigar esses efeitos. Nesse contexto, esta dissertação tem como objetivo elaborar o projeto de um Absorvedor de Massa Sintonizado (AMS) para mitigar vibrações excessivas em uma torre tubular de aço, projetada para suportar um aerogerador NREL 5 MW OC3 (onshore). Foi elaborado um modelo numérico da torre, com 87,6 m de altura, diâmetro e espessura variáveis, utilizando elementos finitos de barra, considerando a não linearidade geométrica por meio da matriz de rigidez geométrica consistente para determinação de suas propriedades dinâmicas, cuja resposta foi validada pelo software Bmodes. A torre foi analisada sob quatro cenários de vento (3 m/s, 11,4 m/s, 25 m/s e 30 m/s), correspondentes a diferentes estados operacionais da turbina. Para a definição das ações atuantes, adotou-se o método do "Vento Sintético" para a distribuição ao longo da torre, enquanto o software FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence) foi empregado para determinar as forças e momentos aplicados no topo da estrutura. Por fim, foi projetado um AMS para ser acoplado ao topo da torre, visando atenuar as vibrações causadas pela ação aleatória do vento. Os coeficientes do absorvedor foram determinados com base na teoria de Den Hartog, sintonizando o dispositivo à primeira frequência natural da torre. Os resultados da análise modal mostraram forte concordância entre o modelo numérico e o software Bmodes, enquanto o método do "Vento Sintético" se mostrou adequado para aplicação da ação do vento em aerogeradores. Foi constatado que a velocidade do vento influencia diretamente a razão de massa necessária para o controle de vibrações, sendo que ventos mais intensos exigem um aumento progressivo dessa razão. O cenário de 11,4 m/s mostrou eficácia até 5%, com limitação do controle passivo acima desse valor. Assim, a razão de massa de 4% foi adotada como a mais adequada para garantir a eficiência do sistema em todas as condições analisadas. A adoção do AMS na torre do aerogerador resultou em uma redução do deslocamento eficaz (r.m.s.) do topo em 13,912%, 17,072%, 39,967% e 42,255% para os cenários de vento de 3 m/s, 11,4 m/s, 25 m/s e 30 m/s, respectivamente, em comparação com a torre sem controle.