Revisão da Literatura

Há uma vasta literatura a respeito da modelagem e análise aeroelástica de aerogeradores, na qual muitos autores apresentam e discutem características particulares deste tipo de equipamento, obtidas através de simulações ou experimentos. Entre os assuntos mais abordados estão: a dinâmica geral do equipamento, a variação do amortecimento devido ao acoplamento aerodinâmico, a análise das frequências naturais e modos de vibrar, bem como as particularidades que tangem os acoplamentos entre os modos. Nesse contexto, os trabalhos mais significativos são comentados a seguir.

Thomsen et al. (2000) apresentam uma metodologia experimental para determinação do amortecimento total das vibrações edgewise das pás do aerogerador Bonus 600kW equipado com pás de modelo LM com 19,1 metros de comprimento. A metodologia consiste em utilizar um braço giratório com uma massa excêntrica montada na nacele para excitar os modos

edgewise de precessão direta e retrograda separadamente, e subsequentemente identificar seus

respectivos amortecimentos. Através desse método, os autores identificam amortecimento para diferentes velocidades, constatando que o amortecimento do modo de precessão direta é significativamente maior do que o amortecimento do modo de precessão retrógada.

Chaviaropoulos (2001) desenvolve uma ferramenta com formulação em elementos finitos para discretizar as equações de movimento e aerodinâmicas – para análise da aero estabilidade de uma pá de turbina eólica submetida a vibrações flapwise e edgewise combinadas. A ferramenta foi aplicada em uma turbina com regulação em estol, a qual possuía pás de 17 metros, negligenciando o amortecimento estrutural. A estabilidade foi analisada para as seguintes características: velocidade do vento e operação na velocidade nominal e operação pós estol. A análise de estabilidade linear mostrou que modos mais baixos de flapwise e

edgewise podem ser instáveis para operações em estol. Nenhuma tendência foi identificada

sobre o amortecimento que a instabilidade aerodinâmica introduz no sistema.

Hansen (2003) tem como principal foco vibrações induzidas em estol, afirmando que as características aerodinâmicas do aerofólio e a estrutura dinâmica da pá são importantes para

o risco de ocorrência do fenômeno. O autor afirma que vibrações edgewise são menos amortecidas aerodinamicamente do que vibrações flapwise em certas velocidades de vento e que pode ser possível evitar instabilidade adicionando amortecimento estrutural suficiente na pá ou adicionando um absorvedor. Hansen (2003) nota que o amortecimento estrutural dos modos edgewise de precessão direta e retrograda são os mesmos e que a diferença no amortecimento total se dá devido à parcela associada ao amortecimento aerodinâmica.

Assim, Hansen (2003) fez uma análise modal numa turbina de três pás de 600kW baseada na Transformação de Coleman1 com o objetivo de explicar diferenças observadas no amortecimento aerodinâmico no segundo modo de flexão lateral do rotor em precessão direta e retrograda. Hansen (2003) constata que as pás não podem ser consideradas um componente separado do aerogerador uma vez que suas vibrações são fortemente afetadas pela dinâmica dos outros componentes, sendo, portanto, necessário considerar a dinâmica do aerogerador inteiro para estimar o risco de vibrações induzidas pelo estol. O autor conclui que a diferença na vibração da pá nos dois modos de flexão lateral do rotor se dá porque o modo em precessão direta interage com o segundo modo de flexão longitudinal do rotor, e por isso, vibra mais para fora do plano do rotor, o que causa um aumento no amortecimento aerodinâmico.

Hansen (2004) apresenta uma nova ferramenta computacional para análise de aero estabilidade em aerogeradores. A estrutura é modelada em elementos finitos e os carregamentos aerodinâmicos são modelados pela Teoria de Momento de Elemento de Pá (BEM) em conjunto com a Teoria de Beddoes-Leishman. A partir do problema de autovalor e autovetor o autor calculou as propriedades modais aeroelásticas: frequências naturais, fator de amortecimentos e modos. Essa abordagem é válida apenas para rotores simétricos uma vez que a Transformada de Coleman é usada. O autor consegue boa concordância entre as propriedades estimadas e as medidas para o Bônus 600 kW, que é um aerogerador com regulação estol.

Riziotis et al. (2004) fazem a análise de estabilidade em dois tipos de aerogeradores: um com o histórico de grande número de falhas ocasionadas por vibrações edgewise e outro com maior tendência de vendas no mercado. O primeiro é um aerogerador com regulação em estol,

1 _{A Transformação de Coleman é um caso particular Transformação de Lyapunov- Floquet e será abordada}

que possui três pás, potência de 500kW e opera em velocidade constante. Já o segundo é um aerogerador com regulação de pitch, de três pás, com capacidade de geração de 2,5MW e opera em rotação variável. Para o aerogerador com regulação estol os autores constatam que as instabilidades ocorrem especialmente quando a máquina opera próximo à velocidade nominal ou acima desta; e que os modos edgewise BW e FW estão mais susceptíveis a ocorrência de instabilidades do que o modo simétrico, uma vez que esse último é mais amortecido. Riziotis et al. (2004) constatam que o aerogerador com regulagem de pitch é menos susceptível a instabilidades do que os que têm regulação estol, os autores apontam que o comportamento instável é obtido apenas para os modos de flexão lateral do rotor em precessão direta e retrograda e que essas instabilidades estão relacionadas com a operação próxima à velocidade nominal.

Hansen et al. (2006) fazem uma extensa revisão sobre aeroelasticidade em aerogeradores. No que tange à estabilidade aeroelástica, é discutido que o baixo amortecimento estrutural pode gerar uma condição crítica de operação não apenas em aerogeradores com regulação em estol, mas também naqueles com controle de pitch operando próxima à velocidade nominal. Um outro ponto extremamente importante discutido pelos autores trata da tendência do aumento da escala de aerogeradores, o autor aponta que em 10 anos houve um aumento na capacidade das máquinas de uma escala de 10 vezes, ou seja, as máquinas evoluíram de 500kW para 5MW, o que significa um aumento no diâmetro total de 40 para 120 metros. Dessa forma, Hansen et al. (2006) afirmam que um modelo aeroelástico cada vez mais preciso é necessário para avaliar as vibrações e o acoplamento entre os modos. Ademais, os autores reforçam que, embora os aerogeradores atuais majoritariamente operem com controle de regulação de pitch que são menos suscetíveis a instabilidades, esses aerogeradores ainda possuem os modos

edgewise BW e FW pouco amortecidos.

Hansen (2007) revisa e explica dois tipos de instabilidades aeroelásticas para aerogeradores: vibrações induzidas em estol e classical flutter. O autor faz dois estudos de caso: o primeiro para um aerogerador com controle de pitch com grande capacidade de geração de potência (na casa dos Megawatts) e o segundo para uma aerogerador com regulagem em estol e capacidade de 600kW. Hansen (2007) afirma que vibrações induzidas em estol podem correr em aerogeradores com regulagem em estol se o aerofólio tiver características aerodinâmicas abruptas, se a pá vibra na direção específica da corrente incidente de vento e se o amortecimento

estrutural é suficientemente pequeno. O autor afirma que apesar das turbinas com controle de

pitch estarem expostas a um menor risco de sofrer essa aero instabilidade, o estudo de vibrações

induzidas em estol ainda se faz importante uma vez que quando as máquinas estão paradas o escoamento ao redor da pá pode sofrer separação ou escoar em direções desfavoráveis o que aumenta o risco de vibrações induzidas em estol. Ademais, Hansen (2007) discorre sobre o fenômeno de classical flutter, o qual pode ocorrer em aerogeradores se a velocidade da ponta da pá for suficientemente alta – que ocorre em operação com velocidade além da nominal ou em aerogeradores que possuem rotores com diâmetros muito grande – ou durante um desalinhamento em yaw – se a rigidez torcional da pá for suficientemente pequena e o centro de gravidade dela estiver suficientemente atrás na seção transversal da pá –. Não obstante, aponta que os estudos nesse sentido ainda são escassos.