Geradores de Energia Eólica: Tecnologias para projeto, controle, fabricação e instalação Tecnologias de Metrologia Óptica Aplicadas ao Projeto e Desenvolvimento Dr. Eng. Vicente M. Massaroti Outubro, 2017
Sumário Introdução Aplicações de Teste de Materiais em Geradores Eólicos Aplicações de Teste de Componentes em Geradores Eólicos Porque usar DIC? Princípio da Medição Óptica 3D DIC Verificação da Simulação Numérica Exemplos Conclusão 2
Introdução Testes em Diferentes Escalas Desenvolvimento de grandes laminas exige pesquisa em todos o campo de escalas de maneira a compreender o comportamento dos materiais e da estrutura Mais usual pesquisa em microescala e escala de laminação Grande meta: Full Scale ou Escala Estrutural Testes em sub esturras e a maneira intermediaria onde somente parte da estrutura e testada, (não é teste em escala) Escala de comprimento (m) Escala micro Escala Laminação Escala Sub Estrutural Escala Estrutural 3
Aplicações de Teste de Materiais em Geradores Eólicos Testes de Materiais: Normalmente GFRP ou CFRP UD ou camadas multi-axiais e vários tipos de materiais espumados para as pás. Metais e ligas de alumínio para a torre e nacelle; Testes estáticos de tração/ compressão, cisalhamento para determinar os parâmetros de rigidez e resistência Vários testes de fadiga para determinar da/dn e curvas SN Testes de fratura interlaminar para materiais laminados e sandwich Quase sempre testes ocorrem em maquinas de testes ou em dispositivos especiais de teste de fratura 4
Aplicações de Teste de Componentes em Geradores Eólicos Teste de componente: Amplo espectro de subcomponentes estruturais em materiais metálicos e compósitos Painéis de compósito planos e curvos Junções com as pás Detalhes estruturais da torre Componentes usinados da nacelle Etc. Testes de fadiga e estáticos para determinar tolerância a dano e tempo remanescente de vida Testes executados em maquinas de teste ou dispositivos especiais Tipicamente os testes são comparados com modelos numéricos que foram validados contra testes experimentais 5
Porque usar DIC? 6
O que é DIC? 7
Princípio da Medição Óptica 3D - DIC Correlação Digital de Imagem (DIC) Preparo do corpo de prova Aquisição de Imagens Uma imagem do corpo de prova antes que o teste inicie para que seja referência no cálculo das deformações Esta imagem pode ser entendida como deformações e calibração de tensões 8
Princípio da Medição Óptica 3D - DIC Correlação Digital de Imagem (DIC) Preparo do corpo de prova Aquisição de Imagens Imagem de referência Aquisição de imagens durante o teste 9
Princípio da Medição Óptica 3D - DIC Correlação Digital de Imagem (DIC) Preparo do corpo de prova Aquisição de Imagens Imagem de referência Aquisição de imagens durante o teste 10
Princípio da Medição Óptica 3D - DIC Correlação Digital de Imagem (DIC) Preparo do corpo de prova Aquisição de Imagens Processamento de Imagem Reconhecimento do padrão usando Correlação digital de Imagem 11
Princípio da Medição Óptica 3D - DIC Correlação Digital de Imagem (DIC) Preparo do corpo de prova Aquisição de Imagens Processamento de Imagem Coordenadas 3D Orientação de imagens baseadas no centro das Facetas 12
Princípio da Medição Óptica 3D - DIC Correlação Digital de Imagem (DIC) Preparo do corpo de prova Aquisição de Imagens Processamento de Imagem Coordenadas 3D Velocidades e deformações em 3D 13
Princípio da Medição Óptica 3D - DIC Correlação Digital de Imagen (DIC) Preparo do corpo de prova Aquisição de Imagens Processamento de Imagem Coordenadas 3D Velocidades e deformações em 3D Análises de deformação Major Strain Minor Strain Deformação específica em X e Y, Angulo de Cisalhamento Redução de espessura Taxa de deformação para todas as medições 14
Porque usar DIC? Testes de Materiais: Comumente medições por contato são difíceis em polímeros reforçados e especialmente materiais espumados. DIC oferece uma visão única e detalhada dos efeitos de campo complete durante o teste Fácil acesso a medições multidirecionais em espécimes de superfície Fácil medição de deslocamento durante testes de fratura Eventos de fratura e falhas podem ser caracterizados em detalhes usando DIC em alta velocidade; 15
Porque usar DIC? Testes de Componentes: Frequentemente medição por contato é difícil em componentes de compósitos; DIC oferece uma visão única, e de campo completo dos efeitos e comportamentos do material/espécime durante os testes; Validação fácil e abrangente dos modelos numéricos (FEM) Falhas de componentes pode ser caracterizada em detalhes usando DIC de alta velocidade Downwind side Towards tip Trailing edge b B Leading edge Upwind side Aerodynamic shell T Main spar (load carrying box) 16
Aplicações Típicas * Fonte: DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark 17
Testes de Sub estruturas para Aplicações em Geradores Eólicos Testes em sub estruturas: Uma secção ou parte da estrutura é removida da estrutura é testada em separado Arranjos de teste e setups são mais simples Carregamentos podem ser simples ou multi-axiais Testes Híbridos em sub estruturas: A sub estrutura (ou componente) é testado com um modelo numérico online da estrutura completa A carga aplicada é gerada baseada na analise em tempo real da estrutura completa com carga real Feedback online entre a sub estrutura testada e a estrutura virtual 18
Testes em Escala Real para Aplicações em Geradores Eólicos Testes em Escala Real: A estrutura completa e testada, p.e. pá de turbina; Setup longo, difícil e caro; Aquisição de dados complexa (usando métodos convencionais); Usualmente verifica carregamentos simples Entretanto, comumente utilizados para certificação de pás; Usualmente testes de Resistencia e fadiga usando ciclagem acelerada; 19
Porque usar DIC? Testes em Sub estruturas: De maneira a se obter uma visão detalhada do comportamento, uma rede de transdutores convencionais e necessária; DIC oferece uma visão única e detalhada dos efeitos de campo complete durante o teste Fácil e rápida validação dos modelos numéricos (FEM) 20
Porque usar DIC? Testes em Escala Real: Problemas similares ao teste em sub estruturas; Comumente modos de falha são difíceis de prever em pás DIC obtém dados não somente em posições pré-determinas com strain-gauges Possibilidade única de comparar dados de testes com análises numéricas; Efeitos das condições de teste com DIC 21
Porque usar DIC? 22
Testes em Pás Núcleo de Pá de Turbina Componente em Fibra de Vidro Comprimento: 34m ARAMIS área 3x3x3 m³
Testes em Pás Núcleo de Pá de Turbina Sistema de Coordenadas alinhado com os dados CAD importados.
Testes em Pás Núcleo de Pá de Turbina Verificação e Melhora da Simulação Numérica
Testes em Pás Núcleo de Pá de Turbina Comprimento: 34m Verificação e Melhora da Simulação Numérica
Testes Dinâmicos em Protótipos 27
Motivação e Objetivos Confiabilidade de uma estrutura durante o ciclo de vida: Testes devem ser rápidos e mais fáceis em grandes turbinas Melhorar a dinâmica estrutural, largura debanda e precisão dos dados de entrada Turbinas Eólicas no estado de operação OMA - Operational Modal Analysis OMD - Operational Modal Deflections ODS - Operational Deflection Shapes Executar Setup de grandes volumes de medição facilmente Comparar resultados com sensores atuais Series com resposta no tempo e na frequência @risø dtu 28
Motivação e Objetivos Confiabilidade de uma estrutura durante o ciclo de vida: Testes devem ser rápidos e mais fáceis em grandes turbinas Melhorar a dinâmica estrutural, largura debanda e precisão dos dados de entrada Turbinas Eólicas no estado de operação OMA - Operational Modal Analysis OMD - Operational Modal Deflections ODS - Operational Deflection Shapes Executar Setup de grandes volumes de medição facilmente Comparar resultados com sensores atuais Series com resposta no tempo e na frequência 29
De Sensores atuais a Videogrametria 30
De Sensores atuais a Videogrametria 31
Medição de Posição, Movimento, Deformação Configuração (Sensor de Deslocamento): Configuração (Sensor de Deslocamento Optico): Frame de referência Não é mais necessário Montagem do sensor Medição dos pontos Aquisição do Arquivo Sistema de Medição Óptica
Setup de Medição 33
Integração Metrologia Óptica em testes de Produto / Protótipo 34
Integração Metrologia Óptica em testes de Produto / Protótipo 35
Integração Metrologia Óptica em testes de Produto / Protótipo 36
Resultados 37
Deslocamento Freio Acionado 38
Deslocamento Freio Acionado 39
Inicio de falha da grade - Torre ODS: Movimento forcado de dois ou mais pontos da estrutura Visível composição de frequências 40
Deflexão no Plano, Parada 41
Deflexão da Torre, final de falha na grade 42
Deflexão fora do plano em um hélice rodando 43
Conclusões Métodos Ópticos são bastante efetivos na determinação de características de projeto e testes de produtos em geradores eólicos Pode-se verificar e acompanhar desde características de material ate o produto em si O uso destas tecnologias esta mais e mais comum no setor de geração de energia, assim como em outros tantos setores... 44
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