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Tipo: Dissertação
Título: Avaliação das condições de operação das pás de uma turbina eólica em escala: aplicação da DFA combinada com técnicas de reconhecimento de padrões dos sinais de vibração
Título em inglês: Evaluation of the operating conditions of blades of a wind turbine at scale: application of combined DFA with vibration signal pattern recognition techniques
Autor(es): Melo Júnior, Francisco Erivan de Abreu
Orientador: Andrade, Carla Freitas de
Palavras-chave: Engenharia mecânica;Redes neurais;Vibração;Neural network;Gaussian discriminator;Vibration analysis
Data do documento: 2017
Citação: MELO JÚNIOR, F. E. A. Avaliação das condições de operação das pás de uma turbina eólica em escala: aplicação da DFA combinada com técnicas de reconhecimento de padrões dos sinais de vibração. 2017. 93 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017.
Resumo: Os aerogeradores são máquinas que operam expostas às adversidades climáticas de cada região e diversos são os fatores que contribuem para o degaste das pás. O desempenho das turbinas eólicas está diretamente ligado à eficiência aerodinâmica de suas pás, que são componentes críticos do projeto. O rotor de uma turbina é um componente que sofre, constantemente, com as cargas dinâmicas do vento. A vibração presente em um aerogerador é matematicamente complexa e difícil de ser modelada e estudos mostram que as técnicas convencionais de análise de vibração não são capazes de diagnosticar defeitos presentes em aerogeradores devido à natureza dos sinais de vibração, que são aleatórios e não-estacionários. Este trabalho realiza um estudo dos sinais de vibração extraídos de uma turbina eólica em escala, de perfil NREL S809, diâmetro de 40 cm e velocidade específica de ponta de pá, λ, igual a 7. Para simular possíveis problemas sofridos pelas pás, foram adicionadas massas de 0,5, 1,0 e 1,5 g às pontas de uma e duas pás, para provocar desde desbalanceamentos simples, até níveis severos de vibração no rotor; além da condição normal, onde as três pás e o sistema estavam balanceados. Os sinais foram pré-processados pela análise de flutuações DFA (Detrended Fluctuation Analysis), que nos últimos anos vem sendo amplamente utilizada para detectar propriedades e correlações de longo alcance em séries temporais não-estacionárias. Em seguida, os vetores foram classificados pela KLT (Karhunen-Loève Transform), Discriminador Gaussiano e RNA (Redes Neurais Artificiais), todas técnicas de reconhecimento de padrões com treinamento supervisionado. De um modo geral, os classificadores alcançaram bons resultados no reconhecimento dos padrões em estudo, sendo capazes de diferenciar, com índices maiores que 95%, as condições normais de operação das condições com desbalanceamentos presentes. Em grande parte dos resultados, foram capazes, também, de classificar os diferentes níveis de desbalanceamentos presentes nas pás, podendo vir a ser uma excelente ferramenta de manutenção preditiva no monitoramento de vibrações em aerogeradores.
Abstract: Wind turbines are machines that operate exposed to adverse climatic conditions of each region and several factors contribute to the blades deterioration. The performance of the wind turbine is directly connected to the aerodynamic efficiency of blades, which are critical components of the project. The turbine’s rotor is a component that suffers constantly with the dynamic loads of the wind. The vibration in a wind turbine is mathematically complex and difficult to be modeled and studies show that conventional vibration analysis techniques are not capable of diagnosing faults present in wind turbines due to the nature of the vibration signals, which are random and non-stationary. This work proposes a study of the vibration signals extracted from a scaled wind turbine, profile NREL S809, diameter of 40 cm and blade tip speed ratio, λ, equal to 7. To simulate potential problems suffered by the blades, masses were added weighting 0.5, 1.0 and 1.5 g to the tip of one blade and later of two blades, to generate from simple imbalances to severe vibration levels in the rotor; beyond the normal condition where the three blades and the system will be balanced. The signals were pre-processed by fluctuation analysis DFA (Detrended Fluctuation Analysis), which in recent years has been widely used to detect properties and long-term correlations in non-stationary time series; then the signals were classified by KLT (Karhunen-Loève Transform), Gaussian discriminator and Artificial Neural Network, all pattern recognition techniques with supervised learning. In general, the classifiers achieved good results in the recognition of the patterns under study, being able to differentiate, with indices greater than 95%, the normal conditions of operation from conditions with imbalances present. In most part of the results, they were also able to classify the different levels of imbalances present in the blades, and may be an excellent predictive maintenance tool in monitoring vibrations of wind turbines.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/28386
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