Análise do comportamento mecânico de uma pá compósita usada em turbinas hidrocinéticas

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, 2014.As projeções relativas á demanda global por energia elétrica apontam um crescimento muito elevado no consumo nas próximas décadas. Foi mostrado que esse consumo aumentará 93% em 2040, comparado ao do ano de 2010. Atualmente, mais de 60 % da energia elétrica consumida provém de combustíveis fósseis, que são recursos limitados e altamente nocivos ao meio ambiente. Nesse contexto, a utilização de turbinas hidrocinéticas que operam com a correnteza dos rios é uma excelente opção, visto que as mesmas possuem grande previsibilidade e alta densidade de potência. O objetivo principal do presente trabalho é o projeto de uma pá compósita para ser utilizada em uma turbina hidrocinética de eixo horizontal capaz de gerar 500 kW de eletricidade com a correnteza do rio Tucurul no estado do Pará. Essa turbina possui um rotor com 3 pás e diâmetro nominal de 10 m. Foram feitas análises de duas pás: a primeira fabricada com lâminas com reforço unidirecional pré-impregnadas de carbono/epóxi do tipo AS4/3501-6 e a segunda com a liga de alumínio 6061-T6. Os resultados foram obtidos utilizando-se o Ansys. Foram utilizados nós mestres e equações de restrição para a aplicação do carregamento hidrodinámico. Os máximos índices de falha estabelecidos para as pás compósita e metálica foram, respectivamente, de: 0.5 segundo Tsai-Wu e 0.5 segundo von Mises. As massas obtidas para as pás compósita e metálica foram de 221.87 kg e 709.16 kg. respectivamente. As deflexões máximas na ponta da pá foram de 5.65 cm para a pá compósita e 2.45 cm para a pá metálica.The projections related to the global demand of electricity show a very high growth in consumption in the coming decades. It has been show that this consumption will increase by 93 % in 2040 compared to the one in '2010. Currently, more than 60 % of the energy consumed comes from fossil fuels, which are limited resources and highly harmful to the environment. In this context, the use of hydrokinetic turbines operating with the flow of the rivers is an excellent choice, as they have great predictability and high power density. The main objective of this work is the design of a composite blade to be used in a horizontal axis hydrokinetic which can generate 500 kW of electricity with Tucurui’s river flow in Pará state. This turbine has a rotor with three blades and a nominal diameter of 10 m. Two blades analyses were perfomed: the first one manufactured with carbon/epoxy unidirectional reinforced prepreg laminas type AS4/3501-6 and the second one made with 6061-T6 aluminum alloy. Results were obtained using ANSYS, reputed finite element analysis (FEA) software. Masters nodes and restrained equations were used to apply the hydrodynamic loading. The maximum failure index established for the composite and metallic blades were respectively 0.5 according to Tsai-Wu and 0.5 according to von Mises. The masses obtained for the composite and metallic blades were 221.87 kg and 709.10 kg. respectively. The maximun deflection at the blade tip were 5.65 cm for the composite blade and 2.45 cm to the metallic blade