Análise da estabilidade elástica, análise dinâmica e controle de vibração em torres tubulares de aço para aerogeradores de eixo horizontal

Abstract

Em vista da perspectiva ambiental atual, a geração de energia encaminha-se para o uso de fontes renováveis, ditas inesgotáveis, como é o caso da energia eólica. Atualmente, o Brasil ocupa a 8ª posição em potência instalada no ranking dos países produtores de energia elétrica a partir de aerogeradores, que são uma alternativa para demanda da matriz energética brasileira. Localmente, o desenvolvimento da produção de energia eólica em Pernambuco ocorre de maneira promissora nos últimos anos. Assim, o porte dos aerogeradores e, consequentemente, de suas torres tem aumentado, fazendo com que os efeitos de 2ª ordem geométrico e de vibrações em tais torres tubulares de aço sejam cada vez mais significativos. Desta forma, esta tese tem como objetivo principal a análise da estabilidade elástica e o projeto de um dispositivo para controle de vibração de uma torre tubular de aço, com 120 m de altura, para um aerogerador de eixo horizontal. Realizou-se, inicialmente, uma vasta revisão bibliográfica sobre o tema de estudo. Em seguida, foi realizada uma análise de estabilidade da torre, para a qual foi desenvolvida a equação diferencial ordinária, solucionada via método das diferenças finitas. Ademais, a torre foi modelada utilizando elementos finitos de barra, em que, a não linearidade geométrica, foi considerada mediante a matriz de rigidez geométrica consistente. Posteriormente, foi desenvolvido o projeto estrutural da torre e de sua fundação (sapata), que foram modeladas, em conjunto com o solo, em elementos finitos com o auxílio do software ANSYS objetivando as análises de flambagem e de não linearidade geométrica do modelo. Adicionalmente, fez-se a análise dos deslocamentos verticais da sapata constatando-se que ocorre levantamento da mesma em virtude da flexibilidade do sistema fundação-solo, resultando em um incremento no deslocamento transversal total medido no topo da torre, situação para qual a estabilidade do conjunto foi confirmada. Para modelagem dinâmica da torre, foram utilizados elementos finitos de barra (implementação com código próprio) e elementos finitos de casca e sólidos (via ANSYS) para obtenção de suas propriedades dinâmica e da resposta da torre submetida à ação dinâmica harmônica ressonante. Por fim, um absorvedor dinâmico de vibração foi projetado para ser acoplado ao topo da torre, investigando um amortecedor de massa sintonizado (AMS), um amortecedor de massa ativo (AMA) e um amortecedor de massa híbrido (AMH). Para a determinação dos coeficientes do absorvedor, utilizou-se a teoria proposta por Den Hartog, sintonizando o absorvedor às duas primeiras frequências naturais da torre, e para a obtenção das variáveis ótimas de controle introduzidas pelos atuadores, foi aplicado o regulador quadrático linear (LQR). O AMH, foco principal de contribuição desta tese, alcançou excelentes níveis deredução de vibração para a torre submetida às ações harmônicas, em regime transiente e permanente (estacionário), ressonantes ao primeiro modo de vibração da estrutura sem absorvedor