Projecto de uma Turbina Savonius com Utilização de Componentes em Fim-de-Vida

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1 Projecto de uma Turbina com Utilização de Componentes em Fim-de-Vida Carlos David Vaz Ôlo Mestre em Engenharia Mecânica Orientador do Projecto: Prof. Doutor Alberto José Antunes Marques Martinho (UNL/FCT, DEMI) Seminário de Transmissões e Acionamentos Mecânicos Auditório da Ordem dos Engenheiros - Lisboa Junho de 2014

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3 2 Elevado número de componentes em fim-de-vida no mercado; Ineficiência na reutilização destes componentes por parte da sociedade; Desperdício de recursos importantes; Produção de energia através do vento; Utilização em zonas sem acesso à energia eléctrica.

4 3 Projectar a turbina de savonius, recorrendo o mais possível a componentes em fim-de-vida; Conceber uma turbina que disponibilize, uma potência à saída da ordem de um alternador automóvel; Explorar o rotor de savonius, para pequenos aproveitamentos energéticos; Projectar a estrutura do gerador cumprindo as regras de segurança impostas pelo regulamento; Conceber uma turbina polivalente.

5 Conceitos gerais 4 Foi inventada por S. J. em 1925; Pertence à família dos geradores de eixo vertical; O seu modo de funcionamento resulta de diferenças de força de arrasto entre as superfícies da pá;

6 Potência extraída pela turbina 5 Rendimento das turbinas eólicas mais comuns: C P = P E P V

7 Potência extraída pela turbina 6 Expressões usadas para estudar o comportamento aerodinâmico da turbina: P E = C P 1 2 ρa pv 3 M rot = C m 1 4 ρda pv 2

8 Potência extraída pela turbina 6 Expressões usadas para estudar o comportamento aerodinâmico da turbina: P E = C P 1 2 ρa pv 3 λ = 1 C P = 0.3 ⅔C P = 0.2 M rot = C m 1 4 ρda pv 2

9 Potência extraída pela turbina 6 Expressões usadas para estudar o comportamento aerodinâmico da turbina: P E = C P 1 2 ρa pv 3 λ = 1 C P = 0.3 ⅔C P = 0.2 Dimensões do bidão cilíndrico: d = 580 mm e h = 900 mm M rot = C m 1 4 ρda pv 2 Para uma velocidade nominal do vento de 8 m/s ρ = kg/m 3

10 Potência extraída pela turbina 6 Expressões usadas para estudar o comportamento aerodinâmico da turbina: P E = C P 1 2 ρa pv 3 λ = 1 C P = 0.3 ⅔C P = 0.2 Dimensões do bidão cilíndrico: d = 580 mm e h = 900 mm M rot = C m 1 4 ρda pv 2 Para uma velocidade nominal do vento de 8 m/s ρ = kg/m 3 1 andar: P E = 57.6 W 2 andares: P E = W

11 Quantificação da acção do vento 7 Zona A generalidade do território, excepto as regiões pertencentes à zona B Zona B os arquipélagos dos Açores e da Madeira e as regiões do continente situadas numa faixa costeira com 5 km de largura ou a altitudes superiores a 600 m.

12 Quantificação da acção do vento 7 Zona A generalidade do território, excepto as regiões pertencentes à zona B Zona B os arquipélagos dos Açores e da Madeira e as regiões do continente situadas numa faixa costeira com 5 km de largura ou a altitudes superiores a 600 m.

13 Quantificação da acção do vento 7 Zona A generalidade do território, excepto as regiões pertencentes à zona B Zona B os arquipélagos dos Açores e da Madeira e as regiões do continente situadas numa faixa costeira com 5 km de largura ou a altitudes superiores a 600 m. Rugosidade do tipo I rugosidade a atribuir aos locais situados no interior de zonas urbanas em que predominem edifícios de médio e grande porte Rugosidade do tipo II rugosidade a atribuir aos restantes locais, nomeadamente zonas rurais e periferia de zonas urbanas

14 Quantificação da acção do vento 7 Zona A generalidade do território, excepto as regiões pertencentes à zona B Zona B os arquipélagos dos Açores e da Madeira e as regiões do continente situadas numa faixa costeira com 5 km de largura ou a altitudes superiores a 600 m. Rugosidade do tipo I rugosidade a atribuir aos locais situados no interior de zonas urbanas em que predominem edifícios de médio e grande porte Rugosidade do tipo II rugosidade a atribuir aos restantes locais, nomeadamente zonas rurais e periferia de zonas urbanas

15 Quantificação da acção do vento 7 Zona A generalidade do território, excepto as regiões pertencentes à zona B Zona B os arquipélagos dos Açores e da Madeira e as regiões do continente situadas numa faixa costeira com 5 km de largura ou a altitudes superiores a 600 m. Rugosidade do tipo I rugosidade a atribuir aos locais situados no interior de zonas urbanas em que predominem edifícios de médio e grande porte Rugosidade do tipo II rugosidade a atribuir aos restantes locais, nomeadamente zonas rurais e periferia de zonas urbanas Expressão para determinar a velocidade de rajada para um solo com rugosidade tipo II: v = 25 / h/ 10 # /

16 Quantificação da acção do vento 7 Zona A generalidade do território, excepto as regiões pertencentes à zona B Zona B os arquipélagos dos Açores e da Madeira e as regiões do continente situadas numa faixa costeira com 5 km de largura ou a altitudes superiores a 600 m. Rugosidade do tipo I rugosidade a atribuir aos locais situados no interior de zonas urbanas em que predominem edifícios de médio e grande porte Rugosidade do tipo II rugosidade a atribuir aos restantes locais, nomeadamente zonas rurais e periferia de zonas urbanas Expressão para determinar a velocidade de rajada para um solo com rugosidade tipo II: v = 25 / h/ 10 # / Zona A: v = 39 m/s 10% Zona B: v = 43 m/s

17 Rotor de savonius 8 Características importantes: Sobreposição das pás β = e d

18 Rotor de savonius 8 Características importantes: Sobreposição das pás β = e d β=0.242 Influência do número de andares no momento exercido no arranque

19 Rotor de savonius 9 Carregamento aplicado ao rotor: Força do vento onde a área projectada é máxima F V = C A 1 2 ρa pv 2

20 Rotor de savonius 9 Carregamento aplicado ao rotor: Força do vento onde a área projectada é máxima O coeficiente de arrasto F V = C A 1 2 ρa pv 2 F V = 4782 N

21 Rotor de savonius 9 Carregamento aplicado ao rotor: Força do vento onde a área projectada é máxima O coeficiente de arrasto F V = C A 1 2 ρa pv 2 F V = 4782 N com b d = 1000 mm M d = 4782 Nm

22 Rolamento 10 Rolamento utilizado Dimensões do rolamento Cada andar de turbina tem uma massa igual a 15kg

23 Rolamento 11 Cálculo das forças no interior do rolamento:

24 Rolamento 11 Cálculo das forças no interior do rolamento: Com recurso à trigonometria β = 75.34º F = N

25 Rolamento 11 Cálculo das forças no interior do rolamento: Com recurso à trigonometria β = 75.34º Forças aplicadas no rolamento F = N

26 Rolamento 12 Forças radial e axial aplicadas no rolamento: Velocidade do vento (m/s) Força radial total (N) Força axial total (N) Cálculo da carga equivalente P no rolamento de acordo com as expressões do fabricante (SKF): Velocidade do vento (m/s) Carga equivalente (N)

27 Rolamento 12 Forças radial e axial aplicadas no rolamento: Velocidade do vento (m/s) Força radial total (N) Força axial total (N) Cálculo da carga equivalente P no rolamento de acordo com as expressões do fabricante (SKF): Velocidade do vento (m/s) Carga equivalente (N)

28 Rolamento 13 Duração e vida útil do rolamento L 10h = n 10 C P # 3 L 10h - duração em horas n - velocidade de rotação em rotações por minuto C - capacidade normal de carga dinâmica Vida básica nominal do rolamento: Velocidade do vento Vida básica nominal L 10h (m/s) (rpm) (horas)

29 turbina 14 Forças aplicadas à estrutura

30 turbina 15 Perfil tubular circular: M rot = 270 Nm

31 turbina 16 Condições de apoio e cargas aplicadas no perfil tubular: Viga estaticamente indeterminada, procedeu-se ao cálculo das reacções pelo princípio da sobreposição:

32 turbina 17 Tensões de comparação no tubo1 Perfis Tubulares Circulares Área W I y max σ m σ N σ comp d (mm) t (mm) (mm 2 ) (cm 3 ) (cm 4 ) (mm) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 )

33 turbina 18 Perfil UPN Condições de apoio e cargas aplicadas no perfil: Resolvendo as equações de equilíbrio tem-se que: Perfil 1 F = A y e M A = FL

34 turbina 19 Tensões de comparação para o perfil 1: σ 1 = σ m x ; σ 2 = σ m y ; σ 3 = 0 Perfis UPN σ 1 σ 2 σ 3 σ comp Von Mises σ comp Tresca h (mm) b (mm) s (mm) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 )

35 turbina 20 Tensões de comparação para o perfil 2: σ 1 = σ m y ; σ 2 = σ m x ; σ 3 = σ N z Perfis UPN σ 1 σ 2 σ 3 σ comp Von Mises σ comp Tresca h (mm) b (mm) s (mm) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 )

36 Estrutura inferior da turbina 21 Estrutura treliçada de suporte

37 Estrutura inferior da turbina 22 Diagrama de corpo livre da estrutura 1ª condição de apoio:

38 Estrutura inferior da turbina 22 Força F 1 : Esta força é igual a força total aplicada pelo vento sobre dois, pois incide no nó A e no nó B

39 Estrutura inferior da turbina 22 Força F 2 : Devido a acção da força do vento quando aplicada no centróide da área projectada pelo rotor, surge um momento no centro da barra AB, que é transformado num binário de forças, aplicadas em A e em B.

40 Estrutura inferior da turbina 22 Força F 3 : Esta força consiste no peso que todos os componentes exercem, esta soma dos pesos será dividida por dois, pois tal com a força F 1, esta carga é suportada pelo nó A e pelo nó B.

41 Estrutura inferior da turbina 22 Força F 4 : O peso dos dois andares de turbina mais o peso do tambor e do apoio, criam um momento no meio da barra AB. À semelhança do que acontece na força F 2, este momento é decomposto num binário de forças, aplicadas em A e em B.

42 Estrutura inferior da turbina 22 Forças e Reacções (N) F 1 F 2 F 3 F 4 C x C y D y

43 Estrutura inferior da turbina 23 Forças aplicadas a cada um dos nós da treliça: Forças aplicadas aos elementos da estrutura treliçada 1ª condição de apoio: Elemento Força (N) Estado AB 5212 Tração AC 8197 Tração AD Compressão BC 806 Tração BD 8553 Tração

44 Estrutura inferior da turbina 24 2ª condição de apoio Reacções (N) C x C y D y Forças aplicadas aos elementos da estrutura treliçada: Elemento Força (N) Estado AB Compressão AC Tração AD 9133 Compressão BC 8000 Compressão BD 253 Compressão

45 Estrutura inferior da turbina 25 Elemento Forças aplicadas aos elementos da estrutura treliçada 1ª condição de apoio 2ª condição de apoio F max compressão Força (N) Estado Força (N) Estado (N) AB 5212 Tração 4107 Compressão 4107 AC 8197 Tração Tração - AD Compressão 9135 Compressão BC 806 Tração 8000 Compressão 8000 BD 8553 Tração 253 Compressão 253 Forças de compressão máximas aplicadas nos elementos da estrutura treiliçada: L - elemento F max compressão (N) maior menor 8000

46 Verificação da segurança 26 Tendo em conta o regulamento 1 existem dois tipos de estados limites a considerar na verificação da segurança: Estados limites últimos - de cuja ocorrência resultam prejuízos muito severos; Estados limites de utilização - de cuja ocorrência resultam prejuízos pouco severos. 1 - Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes e Regulamento de Estruturas de Aço para Edifícios

47 Verificação da segurança 26 Tendo em conta o regulamento 1 existem dois tipos de estados limites a considerar na verificação da segurança: Estados limites últimos - de cuja ocorrência resultam prejuízos muito severos; Estados limites de utilização - de cuja ocorrência resultam prejuízos pouco severos. 1 - Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes e Regulamento de Estruturas de Aço para Edifícios

48 Verificação da segurança 26 Tendo em conta o regulamento 1 verificação da segurança: existem dois tipos de estados limites a considerar na Estados limites últimos - de cuja ocorrência resultam prejuízos muito severos; Estados limites de utilização - de cuja ocorrência resultam prejuízos pouco severos. Segundo o artigo 41º do regulamento para elementos estruturais em aço, onde são apresentadas expressões para a verificação da segurança em relação aos estados limites de resistência sem plastificação, consiste em respeitar a condição para tensões normais: σ S d σ Rd Aço com Fe Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes e Regulamento de Estruturas de Aço para Edifícios

49 Verificação da segurança 26 Tendo em conta o regulamento 1 verificação da segurança: existem dois tipos de estados limites a considerar na Estados limites últimos - de cuja ocorrência resultam prejuízos muito severos; Estados limites de utilização - de cuja ocorrência resultam prejuízos pouco severos. Segundo o artigo 41º do regulamento para elementos estruturais em aço, onde são apresentadas expressões para a verificação da segurança em relação aos estados limites de resistência sem plastificação, consiste em respeitar a condição para tensões normais: σ S d σ Rd Aço com Fe 360 Segundo o artigo 42º do regulamento, no caso de elementos sujeitos a esforços de compressão como é o caso da estrutura treliçada em que exista o risco de varejamento, é definida pela seguinte expressão: Tipo de aço Coeficiente de esbelteza Coeficiente de encurvadura φ Fe 360 λ 20 φ = 1 20 < 105 φ = λ λ > 105 φ = 4802 λ Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes e Regulamento de Estruturas de Aço para Edifícios

50 Verificação da segurança 27 Perfil tubular circular Perfis Tubulares Circulares σ comp σ Sd d (mm) t (mm) (N/mm 2 ) (N/mm 2 )

51 Verificação da segurança 27 Perfil tubular circular Perfis Tubulares Circulares σ comp σ Sd d (mm) t (mm) (N/mm 2 ) (N/mm 2 )

52 Verificação da segurança 28 Perfil UPN Perfil 1 Perfil 2 Perfis UPN σ comp VM σ Sd VM σ comp T σ Sd T σ comp VM σ Sd VM σ comp T σ Sd T h (mm) b (mm) s (mm) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 )

53 Verificação da segurança 29 Perfil em T (estrutura treliçada) Barras com L=1732mm (L maior) Perfis em T Área I y r giração, i c esbelteza c encurvadura σ Sd b (mm) t (mm) (cm 2 ) (cm 4 ) (cm) λ φ (N/mm 2 ) Barras com L=1021mm (L menor) Perfis em T Área I y r giração, i c esbelteza c encurvadura σ Sd b (mm) t (mm) (cm 2 ) (cm 4 ) (cm) λ φ (N/mm 2 )

54 construtivas 30 Critérios para projectar e conceber as ligações entre componentes: simplicidade de montagem; composição modular dos elementos; possibilidade de ajuste aquando da instalação da turbina na localização seleccionada; polivalência da estrutura, permitindo a instalação de bidons com outras dimensões, bem como deixar a turbina preparada para outros estudos futuros.

55 construtivas 30 Critérios para projectar e conceber as ligações entre componentes: simplicidade de montagem; composição modular dos elementos; possibilidade de ajuste aquando da instalação da turbina na localização seleccionada; polivalência da estrutura, permitindo a instalação de bidons com outras dimensões, bem como deixar a turbina preparada para outros estudos futuros. Dimensões dos perfis escolhidos: Perfil circular tubular d = 48 mm e t = 2 mm Perfil UPN h = 65 mm, b = 42 mm e s = 5,5 mm Perfil em T b = 50 mm e t = 5,5 mm

56 Componentes em fim-de-vida 31 Subconjunto automóvel Fixação do alternador

57 Componentes em fim-de-vida 31 Subconjunto automóvel Subconjunto pás

58 Estrutura do rotor 32 Subconjunto UPN

59 Estrutura do rotor 32 Subconjunto UPN Perfil tubular circular

60 Estrutura do rotor 32 Subconjunto UPN Perfil tubular circular Ligação entre perfis

61 Estrutura de suporte da turbina 33 Subconjunto estrutura inferior

62 Estrutura de suporte da turbina 33 Subconjunto estrutura inferior Ligação aparafusada Ligação ao bloco de betão

63 34 Foi projectada uma turbina com os componentes em fim-de-vida disponíveis, fazendo muito poucas alterações aos mesmos; Verificou-se que os perfis escolhidos para a estrutura do rotor e da turbina, cumprem o regulamento de segurança das estruturas; A turbina apresenta uma composição modular, permitindo a fácil montagem e transporte da mesma, demonstrando polivalência; O gerador está apto para ser alvo de estudos futuros, pois permite alteração das dimensões dos bidons usados nas pás, alteração do número de pás por andar e do número de andares, bem como o desfasamento entre andares da turbina. Sugestões para trabalhos futuros: -Ensaiar a turbina no local de instalação; -Projectar pás que actuem como fusíveis mecânicos; -Instrumentação da turbina; -Instalação no topo do DEMI e não junto ao solo.

64 Projecto de uma Turbina com Utilização de Componentes em Fim-de-Vida Carlos David Vaz Ôlo Mestre em Engenharia Mecânica Orientador do Projecto: Prof. Doutor Alberto José Antunes Marques Martinho (UNL/FCT, DEMI) Seminário de Transmissões e Acionamentos Mecânicos Auditório da Ordem dos Engenheiros - Lisboa Junho de 2014