Injeção de resina

Nessa etapa, foi escolhida a resina de poliéster, pois ela apresenta uma boa fluidez quando na fase liquida copiando, com eficiência, todos os detalhes do molde. Apesar de ser um material flexível, apresenta, a rigidez necessária para a utilização em questão, ou melhor, não irá fletir com os impactos do vento, além de ser um material de fácil manuseio, baixo custo e alto rendimento quando comparado ao material utilizado pela impressora 3D.

O procedimento foi indicado pelo fabricante do produto. As medidas para quantidade de resina foram simuladas pelo programa de desenho que faz o cálculo de volume da peça. A densidade da resina é 1,02 g/cm³, indicado, também pelo fabricante. Assim, o volume de resina planejado pelo software a ser injetado é 16,4 ml, sendo sua massa 16,72 g.

A resina em estado líquido foi misturada a um corante na proporção de 1 gota para cada 50 ml de resina, quantia determinada pelo fabricante, já que a resina é transparente e dificultaria a visualização no túnel de vento. A substância formada é unida ao catalisador na proporção de 35 gotas de catalisador para cada 100 ml de resina. Devem-se mesclar os dois

últimos componentes bem lentamente para evitar a formação de bolhas de ar na peça por aproximadamente 30 segundos. Depois de misturada, a resina é injetada no molde com uma seringa farmacêutica (Figura 23).

Figura 23 – Procedimento de injeção

Fonte: Elaborada pelo autor.

O tempo necessário para abertura do molde é de 24 horas, orientado pelo fabricante. Após esse período, o molde foi aberto e retirada a pá, como esta mostrado na Figura 24.

Figura 24 – Molde aberto

Fonte : Elaborada pelo autor.

Depois de curada, notou-se a presença de pequenas marcas na superfície da pá, estas foram copiadas do contra molde de madeira pela borracha de silicone. Assim, utilizou-se uma lixa para madeira com granulação de 320, para corrigir os pequenos defeitos, e furou-se

com um ângulo de 120°, tendo como referência a base de sustentação da bancada de testes apresentada mais adiante, como mostra a Figura 25.

Figura 25 – Furação das pás

.

Fonte: Elaborada pelo autor.

Devido a ausência de equipamentos de medição para determinar se as pás suportariam ou não a força do vento, as mesmas foram colocadas na bancada de teste e impostas a uma velocidade, que aumentava gradativamente de 0 á 1800 rpm. Essa velocidade foi tida como confiável, pois as pás não seriam testadas em velocidades maiores do que 1800 rpm.

Após a furação, pesaram-se as pás e verificou-se uma diferença bem pequena na sua massa em relação ao planejado pelo software de desenho e em relação seu balanceamento (Tabela 1). Dessa forma, não foi preciso retirar material de sua superfície, ao ponto de poder influenciar no perfil aerodinâmico.

Tabela 1 – Medição de massas.

Pás Massa (g) Porcentagem de erro(%)

1 16,75 0,17

2 16,69 0,17

3 16,83 0,65

Fonte: Elaborada pelo autor.

Ao final desse processo, pôde-se verificar uma boa semelhança geométrica da pá criada no processo de moldagem e a pá criada virtualmente (Figura 26).

Figura 26 – Pá impressa e pá Moldada

Fonte: Elaborada pelo autor.

Depois de fabricadas, as pás foram medidas com paquímetro afim de verificar os comprimentos de corda da pá impressa, a pá moldada e o projetado no trabalho de Diniz(2014). As pás foram divididas em 10 sessões, e anotadas suas medidas na Tabela 1.

Tabela 2 – Comprimento das Cordas das Pás Protótipo Projetado (mm) Protótipo Impresso (mm) Erro (%) Protótipo Moldado (mm) Erro (%) 10,50 9,50 9,50 10,10 3,80 11,70 11,00 5,90 11,20 4,27 13,11 12,10 7,70 12,60 3,89 14,90 13,40 10,06 13,90 6,71 17,24 15,70 8,93 15,80 8,35 20,41 18,65 8,62 18,50 9,35 24,94 23,40 6,17 22,90 8,17 31,78 30,35 4,49 30,00 5,60 42,70 41,00 3,98 42,00 1,63 58,46 50,00 14,47 55,00 5,91

Fonte: Elaborada pelo autor.

Concluindo a etapa de fabricação na bancada de testes, iniciaram-se os testes no túnel de vento para verificação da eficiência, analisando os resultados obtidos e comparando com os resultados obtidos pelas pás construidas na impressora 3D.

3.5. Intrumentos de medição

Com intuito de melhor a compreensão dos resultados obtidos, são detalhados todos os equipamentos de medição utilizados na bancada de teste do laboratório de aerodinâmica (LAERO).

3.5.1. Placa Arduino

Plataforma de prototipagem eletrônica de software livre que tem como objetivo no presente trabalho controle e coleta de dados a cada tempo determinado pelo usuário. O software inserido na placa foi desenvolvido por um aluno de graduação do LAERO no trabalho de conclusão de curso.

Figura 27 – Placa Arduino

Fonte: Elaborada pelo autor.

3.5.2. Transdutor de torque

Dispositivo que tem a capacidade de medir a força de rotação em componentes mecânicos. Neste trabalho foi utilizado um transdutor com limite superior de 2N.m da Hottinger Baldwin Messtechnik, modelo T20WN (Figura 28), com rotação máxima mensurável de 3000 rpm e rotação máxima de trabalho de 10.000 rpm. A tolerância apresentada por este modelo na medição de torque é de ± 0,004Nm.

Figura 28 – Transdutor de toque

Fonte: Elaborada pelo autor.

3.5.3. Motor elétrico

A medição do torque desempenhado pelas pás só é possível com a utilização de um motor elétrico acoplado na extremidade oposta às pás, com a função de frear o eixo. Foi utilizado o motor elétrico CC que já pertencia à bancada de testes.

Figura 29 – Motor elétrico

Fonte: Elaborada pelo autor.

Para se obter uma curva de torque, se faz necessária a utilização de uma fonte elétrica ajustável conectada ao motor e outra conectada ao torquímetro, de modo a conseguir diversos valores de torque do sistema variando a intensidade de corrente que é mandada ao motor e fornecer tensão necessária para o funcionamento do toquímetro. Foram utilizadas duas fonte Minipa, modelo MLP-1303 e MLP-1303 M (Figura 29).

Figura 30 – Fonte variável

Fonte: Elaborada pelo autor.

3.5.4. Anemômetro

Equipamento que tem a capacidade de medir a componente horizontal da velocidade do vento. Para este trabalho, foi utilizado um anemômetro de fio quente, sendo seu método de funcionamento baseado no resfriamento de uma resistência do sensor e convertida na informação de velocidade. Nas medições, foi utilizado um anemômetro de fio quente modelo TAFR-180 da Instruterm.

Figura 31 – Anemômetro

Fonte : Elaborada pelo autor.

3.5.5. Multímetro

É um aparelho usado para medir tensão e corrente elétrica. Neste trabalho, foi usado o modelo da Minipa ET-1002, para conferir se a placa Arduino apresentava algum erro na leitura do transdutor de toque.

Figura 32 – Multimetro

Fonte: elaborada pelo autor.

3.6 Montagem do sistema

Para a realização dos testes no túnel de vento foi necessária a montagem das pás na bancada de testes. Inicialmente, as pás foram parafusadas em um suporte projetado para encaixar no rotor da bancada de testes. Esse processo pode ser visto na Figura 32.

Figura 33 - Detalhe das três pás de madeira parafusadas ao suporte

Após parafusar as pás ao suporte, o conjunto foi fixado ao rotor da bancada de teste. Todo o conjunto (pás e bancada de testes) então foi introduzido no túnel de vento para dar início aos testes. A Figura 33 mostra o conjunto já inserido no túnel de vento.

Figura 34 - Sistema montado e pronto para teste em túnel de vento

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Utilizou-se o túnel de vento do LAERO para os testes, com velocidade de vento fixa em 5,2 m/s. Esta velocidade foi especificada por Diniz (2014) onde foi estudado o comportamento do escoamento livre dentro do túnel, sendo a potência eólica gerada nessa velocidade, determinada pela Equação (2)

Dessa forma, foram feitas medições de rotação e torque para o conjunto de pás impressas produzidas por Diniz (2014) e para os protótipos produzidos neste trabalho.

As velocidades de rotação do eixo para os testes foram determinadas para valores de tensão pré-definidos na fonte. Ou seja, para cada valor de tensão foram medidas uma rotação e um torque lidos no torquimetro. Tendo torque e rotação é possível encontrar a potência e o coeficiente de potência a partir das Equações (4) e (5).

𝑃 = 𝑇 . 𝜔 (5) Onde: _{𝑃 é a potencia em W, 𝑇 é o torque em N.m e 𝜔 é a rotação em rad/s.}

Os valores coletados e calculados para os dois conjuntos de pás estão apresentados nas Tabelas 2 e 3.

Tabela 3 – Resultados dos testes em túnel de vento para pás impressas por Diniz (2014). Tensão (V) Rotação (rpm) Rotação (rad) Torque (mN.m) Potência (W) Potência Eolica (W) Cp 1,4 249,672 26,146 18,077 0,473 9,268 0,050998 1,6 334,746 35,054 16,489 0,578 0,06237 1,8 400,303 41,920 16,196 0,679 0,073259 2,0 471,141 49,338 16,017 0,790 0,085269 2,2 541,540 56,710 14,191 0,805 0,086838 2,4 597,257 62,545 14,157 0,885 0,09554 2,6 628,649 65,832 13,782 0,907 0,097897 2,8 720,971 75,500 15,641 1,181 0,127424 3,0 790,369 82,767 12,253 1,014 0,109429 3,2 887,452 92,934 12,350 1,148 0,123844 3,4 972,587 101,849 13,027 1,327 0,143164 3,6 1070,930 112,148 13,898 1,559 0,16818 3,8 1214,455 127,177 13,898 1,768 0,190722 4,0 1288,686 134,951 15,871 2,142 0,231111

Tabela 4 – Resultados dos testes em túnel de vento para pás moldadas. Tensão (V) Rotação (rpm) Rotação (rad) Torque (mN.m) Potência (W) Potência Eolica (W) Cp 1,4 234,757 24,584 15,150 0,372 9,268 0,040188 1,6 318,218 33,324 15,126 0,504 0,054387 1,8 391,172 40,963 14,223 0,583 0,062867 2,0 441,443 46,228 13,624 0,630 0,067959 2,2 522,590 54,725 13,105 0,717 0,077387 2,4 605,264 63,383 12,872 0,816 0,088033 2,6 681,766 71,394 12,693 0,906 0,09778 2,8 754,229 78,983 15,099 1,193 0,128683 3,0 830,916 87,013 13,093 1,139 0,12293 3,2 910,054 95,301 12,823 1,222 0,131865 3,4 975,071 102,109 12,908 1,318 0,142212 3,6 1079,254 113,019 12,342 1,395 0,150511 3,8 1207,481 126,447 14,173 1,792 0,193369 4,0 1272,321 133,237 13,686 1,823 0,196753

Fonte: Elaborada pelo autor.

O valor de 1,4 V foi escolhido como o início das medições, devido a ser a primera medida em que as pás começam a girar sem variações significativas de rotação. E o valor de 4V foi escolhido como última medida coletada devido ser o ponto anterior ao eixo do motor começar a deslizar no acoplamento.

O valor de Cp encontrado nos cálculos não corresponde ao Cp real, pois nesse está inserido o torque produzido pelos acessórios da bancada. Porém, a título de comparação entre os dois métodos de produção de pás é aceitável que essa medida seja utilizada, pois as medições foram realizadas no mesmo dia e foram usados os mesmos acessórios para os dois testes.

Com os dados já coletados, foi possível montar o Gráfico 1, onde são comparadas as curvas de toque por rotação para as pás impressas e as pás moldadas em silicone, e o Gráfico 2 onde são comparadas as curvas de Cp por rotação nos dois conjuntos.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Gráfico 2: Comparação de resultados de Cp por rotação entre os conjuntos de pás.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Nota-se, no Gráfico 1, uma pequena diferença de torque entre os dois conjuntos no intervalo de 200 rpm a 800 rpm e em aproximadamente 1100 rpm, porém as curvas apresentam um comportamento semelhante. Verificando-se a diferença entre cada valor de torque e a média dos valores, percebe-se que o resultado não ultrapassa 4 mN.m, sendo que a variação de torque, encontrada por Diniz (2012), ultrapassa 12 mN.m. Dessa forma, pode-se concluir que a curva apresentada no gráfico 1, apesar de se assemelhar a um polinômio do terceiro grau, pode ser considerada com desempenho constante.

5. CONCLUSÃO

A partir dos experimentos realizados pôde-se perceber que é mais vantajoso o procedimento de usinagem e moldagem do que o impresso, considerando que o material: madeira balsa, borracha de silicone e resina de poliéster, é de fácil obtenção e apresenta um custo mas baixo quando comparado ao preço da matéria–prima da impressora, apesar de ter apresentado um tempo de produção mais longo.

Da mesma forma, é possível constatar, com base nos resultados obtidos nos experimentos, que não houve uma divergência significativa entre as pás impressas e as pás moldadas acerca dos valores medidos. Por outro lado, na dissertação de Diniz (2014) foi especificado que, para uma velocidade especifica de projeto 7, era necessária uma determinada velocidade de rotação, que não foi obtida devido à bancada não estar em perfeitas condições de uso.

Desse modo, foi possível testar e encontrar resultados semelhantes entre os conjuntos de pás. O processo de usinagem que foi desenvolvido no trabalho pode, ainda, ser aplicado para diversos outros propósitos. Como exemplo, confecção dos perfis para a montagem das pás de grande dimensão usadas em testes de campo e contrução de novos modelos de pás com perfis variados.

6. REFERÊNCIAS

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DINIZ, M. A. Desempenho Aerodinâmico de uma Turbina Eólica em Escala, Perfil NREL S809, com Diferentes Velocidades Específicas de Projeto. 2014. Dissertação

(Mestrado em Engenharia Mecânica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2012.

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