Análise numérico-experimental da pá eólica do aerogerador modelo Verne 555

Abstract

O aumento do comprimento das torres eólicas e do diâmetro do rotor, ao longo dos anos, tornaram também as pás eólicas uma estrutura flexível e sujeita a níveis de vibração importantes de serem avaliados. A maioria dos acidentes com turbinas eólicas são ocasionadas por falhas ocorridas nas pás. A causa dessas falhas advém de diversos fatores, como a atuação de rajadas de vento, relâmpagos, fadiga, entre outros. Cerca de 30 falhas de pás eólicas estão ocorrendo por ano em parques eólicos operados comercialmente em todo o mundo. Uma das demandas e desafios do setor eólico tem como linha prioritária garantir a integridade estrutural de aerogeradores enquanto sujeitas às complexas cargas estáticas e dinâmicas. O colapso de pás eólicas devido a danos excessivos de carga ou de fadiga, pode levar à destruição de toda a turbina. Segundo a norma IEC 61400/23:2001, a pá deve ser submetida a ensaios com carregamento estático de distribuição normalizada da carga de projeto, produzindo uma margem entre essa carga e a resistência à ruptura da pá na sua posição mais fraca. Desta forma, este trabalho se propôs avaliar a resistência de um conjunto de pás da turbina Verne 555 sob o ponto de vista estático, através de procedimentos experimentais e simulações numérico-computacionais por meio do Método dos Elementos Finitos, utilizando o software ANSYS. Teve-se como objetivo calibrar o modelo numérico do objeto de estudo deste trabalho previamente elaborado por Araújo et al. (2016) através de ensaios experimentais estáticos, realizados de acordo com a norma IEC 61400/23:2001, ensaios de tração para a verificação do módulo de elasticidade e tensão de ruptura do material, de acordo com a norma ASTM D3039:2014, bem como ensaios térmicos para a caracterização do tipo de material interno utilizado na fabricação da pá por meio da análise termogravimétrica. As cargas impostas nos testes estáticos e no modelo numérico foram extraídas da modelagem aerodinâmica pela teoria do elemento de pá via software QBlade. O comportamento da pá quanto à deformação apontou a necessidade de uma análise numérica que contemplasse a não-linearidade geométrica. Esta evolução técnica permitiu compreender melhor a realidade que rege o problema. As pás não apresentaram um comportamento padrão quanto à ruptura, exceto na formação das fissuras que foi sempre transversal à seção. Em dois ensaios estáticos os efeitos brazier, buckling e delaminação foram identificados. O ensaio de tração em amostras retiradas da pá nos forneceu parâmetros mecânicos importantes para a calibração do modelo numérico, bem como na identificação dos materiais internos através do método de termogravimetria, já que nenhuma informação a respeito da pá foi fornecida pelo fabricante.