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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/28744| Tipo: | Dissertação |
| Título: | Dinâmica e controle de vibrações no plano de rotação em pás de turbinas eólicas |
| Título em inglês: | Dynamics and control of vibrations in the plane of rotation in blades of wind turbines |
| Autor(es): | Cunha, Guilherme Terceiro |
| Orientador: | Silva Júnior, Francisco Ilson da |
| Palavras-chave: | Engenharia mecânica;Turbinas eólicas;Vibração;Vibration control;BEM method;Aeroelastic coupling;Rotational sampling |
| Data do documento: | 2017 |
| Citação: | CUNHA, G. T. Dinâmica e controle de vibrações no plano de rotações em pás de turbinas eólicas. 2017. 75 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017. |
| Resumo: | Nesse trabalho, as respostas dinâmicas das pás sem controle de vibrações, com controle passivo e ativo foram analisadas para verificar a influência do amortecimento aerodinâmico sobre o comportamento da pá e o desempenho dos sistemas de controle. As pás foram modeladas como vigas contínuas de Euler-Bernoulli, incluindo o acoplamento entre as vibrações dentro e fora do plano. A equação do movimento do modelo de turbina foi obtida com a formulação de energia de Euler-Lagrange levanto em conta os efeitos da força centrífuga e gravitacional. Absorvedores de massa sintonizada foram inseridos próximos a ponta de cada pá e sobre a torre para verificar o desempenho desse sistema considerando o amortecimento aerodinâmico através da interação aeroelástica. Os absorvedores foram simulados na forma passiva, considerando parâmetros ótimos, e na forma ativa, calculando as forças de controle através da estratégia do regulador linear quadrático (LQR). Para simular o modelo da amostra rotacional do vento sobre a pá, foi gerado um campo de velocidade do vento através da equação da lei de potência, da função de densidade espectral de potência e da função de coerência espacial. As forças aerodinâmicas foram calculadas com o método do momento do elemento de pá (BEM) quaseestático, incluindo as velocidades da estrutura no cálculo para levar em conta a interação aeroelástica e, com isso, adicionar o efeito do amortecimento aerodinâmico. A validação do modelo foi realizada comparando as frequências naturais e a resposta dinâmica sob carregamento estável com modelos de turbinas já consolidados no meio científico. Os resultados mostraram que o método BEM quase-estático utilizado apresentou um amortecimento aerodinâmico maior na direção fora do plano como já mencionado por pesquisadores. Já sobre o controle, o amortecimento inibiu quase que completamente o desempenho do controle passivo, tornando-o desnecessário na redução das vibrações dentro do plano de rotação nas pás. A hipótese de aplicação do controle ativo LQR calculado no instante inicial se mostrou ineficiente, calculando forças que não promoveram a diminuição das vibrações e, assim, impossibilitando sua análise com amortecimento aerodinâmico. |
| Abstract: | In this research, the dynamic responses of the blades without vibration control, with passive and active control were analyzed to verify the influence of aerodynamic damping on the blade vibrations. The blades were modeled as continuous Euler-Bernoulli beams, including coupling in the in-plane and out-plane vibrations. The equation of motion of the turbine model was obtained with the energy formulation of Euler-Lagrange considering the effects of centrifugal and gravitational force. Tuned mass dampers were inserted near the tip of each blade and on the top of the tower to verify the performance of this system considering aerodynamic damping through the aeroelastic coupling. The dampers were simulated in passive form, considering optimal parameters, and in the active form, calculating the control forces through the linear quadratic regulator (LQR) strategy. The power law equation, the power spectral density function and the spatial coherence function generated a wind speed field to simulate the rotational sampling on the blade. Aerodynamic forces were calculated using the quasi-static blade element momentum (BEM) theory including frame velocities in the calculation to account for the aeroelastic coupling, and thereby add the effect of aerodynamic damping. The validation of the model was performed comparing the natural frequencies and the dynamic response under stable loading with models of turbines already consolidated in the scientific literature. The results showed that the quasi-static BEM method presented a greater aerodynamic damping in the out-plane direction as already mentioned by researchers. Regarding the control, the aerodynamic damping almost completely inhibited the performance of the passive control, making it unnecessary in the reduction of in-plane vibrations in rotating wind turbine blades. The hypothesis of applying the active control LQR calculated at the initial moment was shown inefficient, calculating forces that did not promote the reduction of vibrations and, thus, making it impossible to analyze them with aerodynamic damping. |
| URI: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/28744 |
| Aparece nas coleções: | DEME - Dissertações defendidas na UFC |
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| 2017_dis_gtcunha.pdf | Dissertação de Guilherme Terceiro Cunha | 3,38 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
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