DANTAS, F. M. V. Estudo multivariado de sinais de vibração em uma turbina eólica em escala reduzida. 2015. 96 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015. / Submitted by Hohana Sanders (hohanasanders@hotmail.com) on 2016-08-03T13:22:35Z No. of bitstreams: 1 2015_dis_fmvdantas.pdf: 3315065 bytes, checksum: be830fb706063a0d6e5c61301706b12f (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2016-08-05T16:55:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_dis_fmvdantas.pdf: 3315065 bytes, checksum: be830fb706063a0d6e5c61301706b12f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-05T16:55:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_dis_fmvdantas.pdf: 3315065 bytes, checksum: be830fb706063a0d6e5c61301706b12f (MD5) Previous issue date: 2015-09-17 / The main issues addressed in accurately modeling random vibration in wind turbines are due to the complexity of the structure, applied loads, and the operating environment. In this study, collected signals of structural vibrations of a reducedscale wind turbine were analyzed, firstly with a balanced set of three blades, and then with another set of three unbalanced ones for the , that is the TSR (Tip Speed Ratio). Aiming to understand the dynamics of change in vibration signals and to extend concepts and methods recently developed in statistical physics, extensive use of the DFA (Detrended Fluctuation Analysis); FFT (Fast Fourier Transform) and Hurst method (R/S); that in recent years has been cementing itself as a very soughtout technique for the determination of fractal scale properties and detection of longrange correlations in non-stationary noise time series; and the PCA (Principal Component Analysis) which is one of the simplest multi-variable methods. It was observed that the FFT method showed better results than the other methods, followed by DFA and, finally, the R / S. The λ = 6 blades showed the best results for rotation of 1100 RPM at the PCA, with cumulative variance of 82.39% and 82.34% in the FFT and DFA methods in the first two components. The λ = 7 blades showed better results for rotations of 600 RPM, 900 RPM and 1200 RPM at the PCA with variance 81.14%, 84.06% and 83.21%, respectively, in FFT method and variance 81.94% at 1200 RPM rotation in DFA method. It was found that in all methods with an unbalanced rotor blade showed greater average amplitude oscillation, followed by two unbalanced rotor blades and, finally, with balanced rotor. / Os principais problemas em modelar matematicamente com precisão as vibrações aleatórias em turbinas eólicas são devido à complexidade da estrutura, às cargas aplicadas se ao ambiente operacional. Neste estudo foram analisados os sinais de vibrações estruturais extraídos de uma turbina eólica de escala reduzida, primeiramente com um conjunto de três pás balanceadas e então com um conjunto de três pás desbalanceadas para os λ = 6 e 7, que é a razão de ponta de pá. Procurou-se entender a dinâmica das flutuações nos sinais de vibração e estender conceitos e métodos desenvolvidos recentemente em física estatística, fazendo uso da DFA (Detrended Fluctuation Analysis); FFT (Fast Fourier Transform); o método de Hurst (R/S) que nos últimos anos vêm se tornando técnicas extremamente úteis para determinação de propriedades de escala fractal e detecção de correlações de longo-alcance em ruídos de séries temporais não estacionárias; e da PCA (Principal Component Analysis), este último sendo um dos métodos de múltiplas variáveis mais simples. Foi observado que o método FFT apresentou melhores resultados do que os outros métodos, seguido pelo DFA e, por fim, o R/S. As pás de λ = 6 apresentaram os melhores resultados para a rotação de 1100 RPM no PCA, com variância acumulada de 82,39 % e 82,34 % nos métodos FFT e DFA nas duas primeiras componentes. As pás de λ = 7 apresentaram melhores resultados para as rotações de 600 RPM, 900 RPM e 1200 RPM no PCA, com variância de 81,14 %, 84,06 % e 83,21 %, respectivamente, no método FFT e variância de 81,94% na rotação de 1200 RPM no método DFA. Constatou-se em todos os métodos que o rotor com uma pá desbalanceada apresentou maior amplitude de oscilação média, seguida pelo rotor com duas pás desbalanceadas e, por último, com o rotor balanceado.

DINIZ, M. A. B. Desempenho aerodinâmico de uma turbina eólica em escala, perfil NREL S809,com diferentes velocidades específicas de projeto. 2014. 107 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2015-03-05T11:03:14Z No. of bitstreams: 1 2014_dis_mabdiniz.pdf: 1858273 bytes, checksum: 76279cf8ad43a1644a389895921fc0ea (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2015-03-24T11:12:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_dis_mabdiniz.pdf: 1858273 bytes, checksum: 76279cf8ad43a1644a389895921fc0ea (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-24T11:12:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_dis_mabdiniz.pdf: 1858273 bytes, checksum: 76279cf8ad43a1644a389895921fc0ea (MD5) Previous issue date: 2014-03-28 / The constancy of Brazilian winds and the need to mitigate the demand of large cities have found in wind energy a strong partner. As an alternative for the production of electrical power, modern buildings and condominiums, plus some rural applications, have resorted to small wind turbines as an alternative to solve your needs. However, most of the technology found in the market is imported and has not been developed exclusively for applications in Brazil. The most important tool in experimental aerodynamics is the wind tunnel. Scale controlled experiments provide a large number of reliable data, besides providing security to those who handle. Given its importance, this paper aims at the development, prototyping, and understands the behavior of a wind turbine rotor scale subjected to wind tunnel tests and compares the results with those in the literature for a prototype scale real. Therefore, it required the use of correction techniques blockage effects of the wind tunnel. It was designed and manufactured 4 sets of rotors with values specific tip speed of 6 to 9 (λp=6, 7, 8 e 9). The tests were conducted in a wind tunnel where velocity data free stream, stream velocity with the turbine in operation, and angular speed and torque generated by the blades, was collected in order to know the curve of each rotor. It was observed that in situations where the flow speeds are not representative enough to reach the higher values of λ range between 3 and 5,6, indicates a design with λp=6. Already in situations where the values of λ ranging between 4,7 and 7,3, λp=7 proved to be more efficient. Have λp=9 proved to be no advantage in comparison to other projects. By comparing the data obtained in this work with the literature and the BEM, it can be stated that the study of wind turbines in a wind tunnel is quite reliable. / A constância dos ventos brasileiros, e a necessidade de amenizar a demanda das grandes cidades encontraram na energia eólica uma forte parceira. Como uma alternativa na produção de energia elétrica, condomínios e prédios modernos, além de algumas aplicações rurais, têm recorrido às turbinas eólicas de pequeno porte como uma alternativa para sanar suas necessidades. Contudo, a maioria da tecnologia encontrada no mercado é importada e não foi desenvolvida exclusivamente para aplicações no Brasil. A ferramenta mais importante na aerodinâmica experimental é o túnel de vento. Experimentos controlados em escala fornecem um grande número de dados confiáveis, além de fornecer segurança a quem o manuseia. Dada a sua importância, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento, a prototipagem, e conhecer o comportamento de um rotor de turbina eólica em escala sujeito a testes em túnel de vento e comparar os resultados obtidos com os presentes na literatura para um protótipo em escala real. Para tanto, faz necessário o uso de técnicas de correção de efeitos de bloqueio de túnel de vento. Foi projetado e fabricado 4 conjuntos de rotores com valores de velocidade específica de ponta de 6 até 9 (λp=6, 7, 8 e 9). Os testes foram conduzidos em um túnel de vento onde foram coletados dados de velocidade de escoamento livre, velocidade de escoamento com a turbina em operação, além de medidas de velocidade angular e torque gerado pelas pás, com a finalidade de conhecer a curva de potência de cada rotor. Foi observado que em situações de escoamento em que as rotações não sejam representativas (o suficiente para atingir valores superiores ao intervalo de λ entre 3 e 5,6), indica-se um projeto com λp=6. Já em situações nas quais os valores de λ oscilam entre 4,7 e 7,3, λp=7 mostrou-se mais eficiente. Já λp=9 mostrou-se não vantajoso em comparação aos demais projetos. Ao comparar os dados obtidos neste trabalho com os da literatura e do BEM, pode-se afirmar que o estudo de turbinas eólicas em túnel de vento é bastante confiável.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-04-19T04:03:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 337901.pdf: 4128416 bytes, checksum: 245c701c1210915adc942f1d49ce5278 (MD5) Previous issue date: 2015 / Os sistemas hidráulicos vêm evoluindo tecnologicamente em função da integração com dispositivos eletro-eletrônicos e melhoria nos processos de fabricação. Porém, ainda são controlados normalmente pela abertura e fechamento de orifícios de passagem de fluido tornando-os extremamente dissipativos e, portanto, com baixa eficiência. Com a crescente conscientização na obtenção de sistemas que tenham um gasto energético otimizado, a hidráulica digital surge como uma alternativa mais eficiente aos sistemas hidráulicos convencionais. Motivado pela obtenção de novas concepções de posicionadores hidráulicos, o presente trabalho estuda a aplicação de um sistema hidráulico digital de chaveamento rápido do tipo step-down em um sistema de controle de posição aplicado a uma bancada de ensaios para turbinas eólicas. A partir do modelo em regime permanente apresentado neste trabalho, foi possível a realização do dimensionamento do sistema, tubo de inertância e frequência de chaveamento da válvula. Os dados obtidos foram utilizados no modelo a em regime transiente de controle de posição com o intuito de verificar as características comportamentais do sistema. Para a validação do modelo em regime transiente, experimentos foram realizados na Bancada de Controle de Ângulo de Passo existente no Laboratório de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos da Universidade Federal de Santa Catarina. Com as conclusões deste trabalho, têm-se os principais elementos para a correta seleção das dimensões do tubo de inertância e frequência de chaveamento da válvula juntamente com as principais vantagens e desvantagens na utilização de um sistema de posicionamento hidráulico digital em comparação aos sistemas hidráulicos convencionais.<br> / Abstract : In recent years there has been a considerable development in hydraulic systems technology. The technological improvement has been a function of the integration of electronic devices and improvement of the manufacturing processes. However, the hydraulic systems are still normally controlled by the opening and closing the fluid passages making them extremely dissipative and, therefore, with low efficiency. With the increasing awareness to obtain systems which have optimized energy consumption, the digital hydraulics emerges as a more efficient alternative to conventional hydraulic systems. Aiming to achieve new designs of hydraulic positioning systems, this master?s thesis studies the application of a digital hydraulic system in position control applied in a test bench for wind turbines. From the steady state model presented in this master?s thesis, the optimization of the inertance tube and valve switching frequency was possible. The data obtained were used in the transient model of the pitch angle control system in order to check the behavioral characteristics of the system. To validate the dynamic model, experiments were carried out in the Pitch Angle Control Bench that is located in the Laboratory of Pneumatic and Hydraulic Systems of the Federal University of Santa Catarina. The results of this study address the key elements for the correct selection of the inertance tube dimensions and valve switching frequency and also the main advantages and disad-vantages of using a digital hydraulic system compared to a conventional hydraulic system.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-04-04T04:08:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 344644.pdf: 4287031 bytes, checksum: df51b0a1e8a46a3d53e3196cbbb16141 (MD5) Previous issue date: 2016 / A demanda por fontes de energia renováveis limpas é um fenômeno de escala mundial. O Brasil acompanha essa tendência e, desde 2009, vem incentivando o crescimento destas formas de geração de energia. Particularmente, a energia eólica chama atenção pela velocidade com que se expande no país. Por outro lado, este mercado tem apresentado resultados que precisam ser devidamente analisados. Estudos realizados com parques eólicos em operação no Brasil mostram que muitos destes estão produzindo abaixo do esperado, um problema que afeta o proprietário do parque, em termos de receita; o governo, em termos de planejamento estratégico e fornecimento de energia; e a população, que paga por uma energia mais cara e que não tem ainda a devida garantia de disponibilidade. Em face deste contexto, apresenta-se um Modelo para Garantia da Disponibilidade de Turbinas Eólicas, fundamentado na organização e sistematização do conhecimento, e estruturado em técnicas para prover ações de manutenção. Pretende-se que as soluções desenvolvidas contribuam para adequar a quantidade de energia produzida ao nível da estimada nos diversos parques eólicos já em funcionamento no Brasil. Com o intuito de facilitar e viabilizar a aplicação do modelo proposto, foi desenvolvida uma ferramenta computacional denominada MADE. Tanto o modelo, quanto o software, passaram por um processo de validação, junto a profissionais do setor eólico e da área de metodologia e sistematização, a fim de autenticar sua aplicabilidade e resposta ao problema. Os resultados obtidos indicam que a solução proposta é, de fato, um caminho para suportar a gestão de manutenção com vistas à garantia de disponibilidade dos parques eólicos em operação.<br> / Abstract : The demand for clean renewable energy sources is a worldwide phenomenon. Brazil follows this trend and since 2009 has encouraged the growth of these forms of energy generation. Particularly wind power draws attention due the fast expansion in the country. In the other hand, this same market has shown results that must be properly analyzed. Studies of wind farms in operation in Brazil show that many of these parks are producing below the expectations: a problem that affects the owner of the park in terms of revenue; the government, in terms of strategic planning and energy supply; and the people who pay for a more expensive energy and that does not present the due availability guarantee. Given this context, one presents a Model for Availability Guarantee of Wind Turbines, based on the organization and systematization of knowledge, and structured techniques to provide maintenance actions. The solutions presented aims to contribute for the adequacy of the quantity of energy produced by the several wind farms already operating in Brazil. For the purpose of facilitate and make viable the implementation of the proposed model, a computational tool called MADE was developed. Both model and software went through a validation process with professionals of the wind sector and the methodology and systematization area in order to authenticate their applicability and response to the problem. The results indicate that the proposed solution is indeed one way to support the maintenance management to guarantee availability of farms in operation.

Made available in DSpace on 2015-07-13T12:10:22Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-11-22. Added 1 bitstream(s) on 2015-07-13T12:25:20Z : No. of bitstreams: 1 000836546.pdf: 6808625 bytes, checksum: 764bf6b60c1ced9815654e070e7b2d47 (MD5) / No atual cenário energético, torna-se cada vez mais imperiosa a necessidade de produzir energia com maior eficiência. Dessa forma, o ganho de eficiência através de processos que permitam um maior tempo entre as manutenções, gera também uma redução nos custos destinados à produção de energia. Entretanto, um dos grandes problemas enfrentados pelas Usinas Hidrelétricas, é o fenômeno da cavitação, que gera como consequência a erosão de partes da turbina, com perda de material e desempenho. Os estudos indicam como forma de minimizar essa situação, um melhor projeto hidrodinâmico das turbinas e a utilização de materiais mais nobres e resistentes a erosão cavitacional. Em turbinas novas, a melhoria do projeto e a utilização de materiais mais nobres, como o ASTM A743 Gr CA6- MN, reduzem os efeitos da cavitação e prolongam a necessidade de recuperação das máquinas. Entretanto, para atenuar esses efeitos nas turbinas que já se encontram em operação, principalmente as com mais de 30 anos de vida, é necessário a aplicação de revestimentos com características que permitam a atenuação desse fenômeno. Nesse sentido, ocorreu o desenvolvimento das ligas austeníticas com cobalto, que em função das dificuldades operacionais existentes na época, inicialmente se mostraram ineficientes para o aumento da resistência a cavitação e dos intervalos entre as recuperações. Visando garantir a operacionalidade dessas ligas foi desenvolvido em 2000, pelo LABSOLDA, o processo MIG/MAG com pulsação térmica, ou bi-pulsado, que proporcionou, junto às usinas hidrelétricas, uma popularização dessa liga na recuperação de erosão cavitacional e uma efetiva melhoria da resistência a cavitação das áreas revestidas das turbinas hidráulicas, como consequência a redução no período de parada e de deposição de material. Entretanto, nos últimos 10 anos, houve uma significativa... / In the current energy scenario, it becomes increasingly imperative to produce energy more efficiently. Thus, the gain in efficiency through processes that allow a greater time between maintenance, also generates a reduction in costs for the production of energy. However, a major problem faced by hydropower plants, is the phenomenon of cavitation, which generates as a result of erosion turbine parts, with loss of material and performance. Studies indicate as to minimize this situation, a better hydrodynamic design of the turbines and the use of materials noblest and resistant to cavitation erosion. In the new turbines, design improvement and the use of noble materials such as ASTM A743 Gr CA6-MN, reduce the effects of cavitation and prolong the need for recovery of machinery. However, to mitigate these effects in turbines that are already in operation, especially with more than 30 years, is necessary the application of coatings with features that enable mitigation of this phenomenon. In that sense, occurred the development of austenitic alloys with cobalt, which due to operational difficulties that existing at the time, initially proved ineffective for increasing the resistance against cavitation and the intervals between recoveries. To ensure the operability of these alloys was developed in 2000 by LABSOLDA, MIG / MAG welding with thermal pulse, or bi-pulsed, which provided, along with hydroelectric plants, one popularization of this alloy in the recovery of cavitation erosion and an effective improvement cavitation resistance of coated areas of hydraulic turbines, the effect of reducing the period of arrest and deposition of material. However, in the last 10 years, significant developments in conventional soldering machines, including the incorporation of electronic controls welding, which also reduces interference welder during welding. In this study, a comparison was made of an stainless steel ...

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2018-05-11T20:16:00Z No. of bitstreams: 1 2017_KaristonDiasAlves.pdf: 3910952 bytes, checksum: 1211d57dc9de457ae5f268a913a1109d (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-05-15T17:30:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_KaristonDiasAlves.pdf: 3910952 bytes, checksum: 1211d57dc9de457ae5f268a913a1109d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-15T17:30:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_KaristonDiasAlves.pdf: 3910952 bytes, checksum: 1211d57dc9de457ae5f268a913a1109d (MD5) Previous issue date: 2018-05-15 / Fundação Rondônia de Amparo ao Desenvolvimento das Ações Científicas e Tecnológicas e à Pesquisa do Estado de Rondônia (FAPERO). / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um regulador de velocidade para a Turbina Indalma, que surgiu como uma alternativa para atender comunidades isoladas da amazônia, dada sua robustez, simplicidade de operação e baixo impacto ambiental. No entanto, era necessária a implementação de um regulador de velocidade afim de otimizar o ganho no seu potencial mecânico, aumentando assim a capacidade de geração elétrica. Deste modo, propôs-se o projeto e construção de um regulador de velocidade, que fosse de fácil instalação, de baixo custo, mantivesse o padrão de robustez do equipamento, possuísse um método fácil e eficiente de sintonia dos parâmetros do controlador, de modo a garantir a máxima eficiência, estabilidade da máquina e otimização do controle utilizado. Para este fim, é apresentada uma análise preliminar da problemática que envolve este tema, sua importância, bem como uma análise da turbina em questão. É feita a modelagem da turbina, via diagrama de blocos, a nível de sistema, com: 1) modelo linear, 2) modelo simplificado, 3) modelo linearizado e 4) modelo não linear, comparando os 4 modelos propostos com a resposta do sistema real. São apresentadas as fases de projeto e desenvolvimento dos componentes: mecânico, eletrônico e supervisório SCADA desenvolvidos para esta aplicação. Ademais, apresenta-se o desenvolvimento de um controlador PID embarcado na placa eletrônica, onde serão implementadas e testadas 3 diferentes sintonias, sendo elas: sintonia manual e duas sintonias via Otimização por Enxame de Partículas - PSO, através dos modelos linear e simplificado, que são apresentados no capítulo 3. Todas as etapas foram desenvolvidas e testadas no laboratório de sistemas hidrelétricos da Universidade de Brasília - UnB, afim de garantir a viabilidade e exequibilidade necessárias para implementação in Loco da tecnologia desenvolvida. Na fase de testes e validação da proposta, foram realizados 12 testes para cada uma das sintonias, afim de analisar o comportamento do sistema. Uma função custo é apresentada com a qual verifica-se todas as respostas e, deste modo, chega-se a um resultado da melhor sintonia testada. Por fim, têm-se a sintonia utilizado PSO baseado no modelo linear como a melhor resposta, dado os parâmetros analisados. / This work presents the development of a speed regulator for Indalma Turbine, which emerged as an alternative to attend isolated communities of the amazon, given their robustness, simplicity of operation and low environmental impact. However, it was necessary to implement a speed regulator in order to optimize the gain in its mechanical potential, thus increasing the electric generating capacity. In this way, the design and construction of a speed regulator for the Indalma turbine, which is easy to install, low cost, maintain the standard of robustness of the equipment, which has an easy and efficient method of tuning the parameters of the controller, in order to ensure maximum efficiency, stability of the machine and optimize the control used. For this purpose, a preliminary analysis is presented of the issues involved in this theme, their importance, as well as an analysis of the turbine in question. The turbine modeling is done, via block diagram, with: 1) linear model, 2) simplified model, 3) linearized model and nonlinear model, comparing the 4 proposed models with the real system response. The phases of design and development of the mechanical, electronic and SCADA supervisory components developed for this application is also presented. In addition, it is shown the development of a PID controller boarded on the electronic board, where three different tunings will be implemented and tested, being: manual tuning and two tunings via Particle Swarm Optimization (PSO) through linear and simplified models, which is presented in Chapter 3. All the steps were developed and tested in the laboratory of hydroelectric systems of the University of Brasília - UnB - Brazil, in order to guarantee the feasibility necessary for the implementation of the developed technology. In the phase of testing and validation of the proposal, 12 tests were performed for each of the tunings, in order to analyze the behavior of the system. A cost function is presented which all the answers are verified and, thus, one arrives at a result of the best tuned test. At least, we have the tuning used PSO based on the linear model as the best answer, given the parameters analyzed.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas, 2011. / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2012-04-25T14:35:07Z No. of bitstreams: 1 2011_FernandadeOliveiraSoaresSousa.pdf: 3248121 bytes, checksum: 58bc29b0278c716de89adb751f65a73e (MD5) / Rejected by Jaqueline Ferreira de Souza(jaquefs.braz@gmail.com), reason: Falta o abstract. on 2012-04-27T13:58:54Z (GMT) / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2012-05-08T11:30:27Z No. of bitstreams: 1 2011_FernandadeOliveiraSoaresSousa.pdf: 3254273 bytes, checksum: bb493c12c1f70a2c12ad26ddfee7aaf5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marília Freitas(marilia@bce.unb.br) on 2012-05-10T12:10:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2011_FernandadeOliveiraSoaresSousa.pdf: 3254273 bytes, checksum: bb493c12c1f70a2c12ad26ddfee7aaf5 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-05-10T12:10:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2011_FernandadeOliveiraSoaresSousa.pdf: 3254273 bytes, checksum: bb493c12c1f70a2c12ad26ddfee7aaf5 (MD5) / Este trabalho tem como objetivo introduzir uma metodologia para estimar cargas em pinos de cisalhamento de uma turbina Kaplan e relacionar eventos de falha de pinos a sobrecargas com origem hidrodinâmica. O estudo foi realizado na Usina Hidrelétrica Coaracy Nunes, situada no estado do Amapá. Existem muitos aspectos que podem ser considerados como causa de falhas em pinos de cisalhamento, como fratura por fadiga, cargas estáticas excessivas devido a problemas de alinhamento e montagem. O principal fator considerado nesta análise é o estudo de carregamentos hidrodinâmicos causados pela passagem do escoamento pelas pás do distribuidor e transmitidos ao restante da estrutura. Isto pode causar uma sobrecarga cíclica, levando, em consequência disso, a danos no pino de cisalhamento. Para investigar este fenômeno, uma análise da estrutura do distribuidor foi realizada para estimar as cargas transientes atuantes em cada componente do sistema de controle direcional das pás do mecanismo. Como resultado, as cargas com origem hidrodinâmica atuantes nos pinos de cisalhamento serão conhecidas. Uma análise complementar foi necessária para avaliação da influência da componente aleatória da velocidade do escoamento no comportamento dinâmico da pá do distribuidor. Para isso, considerando as restrições de movimento nas pás do distribuidor, é proposto um modelo estocástico de um grau de liberdade para o estudo da influência da velocidade incidente nos principais parâmetros regentes do movimento da pá quando submetida ao escoamento. Estudos de CFD do escoamento em Caixas Espirais das unidades Kaplan instaladas na Usina Hidrelétrica Coaracy Nunes foram usados como base para estimar o perfil estocástico de velocidade. O método da perturbação foi aplicado para solução do problema estocástico. Este trabalho é importante para determinar a relação entre instabilidades fluido induzidas e os eventos de quebras de pinos de cisalhamento. _____________________________________________________________________________ ABSTRACT / This work has the objective of introducing a methodology to estimate loads on wicket gates‟ shear pins of a Kaplan turbine and relate its failure events to overloads with hydrodynamic origin. The study was held on the Hydro Power Unit of Coaracy Nunes, situated in Amapá. There are many aspects that may be considered as causes of the shear pins failures such as fatigue failure, excessive static loads due to bad alignment and assembly problems. The main factor that is considered in this research is the study of hydrodynamic loads caused by the flow passage through distributor‟s vanes and transmitted to the remaining of its structure. This could cause cyclic overload and, consequently, lead to the shear pin damage. To investigate this phenomenon, an analysis of the distributor structure was performed in order to estimate the acting transient loads on each component of its drive system caused by the flow. As result, the loads acting on the shear pins originated by the flow passage will be known. A complementary analysis was performed in order to evaluate the influence of this randomness inherent to the incident velocity. Considering the movement restrictions on the distributor blades, it is proposed a one degree of freedom stochastic model to study the dynamical stall induced by the flow acting on blades of a Kaplan turbine distributor, which is modelled considering its randomness. CFD studies on the flow inside the spiral cases of the Kaplan units in hydro power plant of Coaracy Nunes were used as basis to estimate the stochastic profile of velocity. The perturbation method was applied to solve the stochastic problem. This research is important to determine the relation between hydro-induced instabilities and the shear pins failure events.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologla, Departamento de Engenharia Mecanica, 2017. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2017-05-02T16:26:32Z No. of bitstreams: 1 2017_EduardoAkiraPinheiroUema.pdf: 6973768 bytes, checksum: c0f8cc95028518ae48a200126030a57d (MD5) / Approved for entry into archive by Ruthléa Nascimento (ruthleanascimento@bce.unb.br) on 2017-05-02T17:50:36Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_EduardoAkiraPinheiroUema.pdf: 6973768 bytes, checksum: c0f8cc95028518ae48a200126030a57d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-02T17:50:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_EduardoAkiraPinheiroUema.pdf: 6973768 bytes, checksum: c0f8cc95028518ae48a200126030a57d (MD5) / Este trabalho apresenta a modelagem matemática de um sistema de transmissão eletromecânica típico de uma turbina eólica incorporando modelos de flutuações determinísticas de cisalhamento do vento (wind shear) e de sombreamento da torre (tower shadow) e de perfis estocásticos de velocidade do vento, utilizando as densidades espectrais de potência de Davenport e Kaimal. Num primeiro instante, apresenta-se a formulação matemática do modelo do sistema de transmissão utilizado que inclui rotor, caixa multiplicadora e gerador síncrono de ímãs permanentes. Posteriormente, apresenta-se a formulação de dois efeitos determinísticos, um de cisalhamento do vento e outro de sombreamento da torre. Acrescentam-se ainda os perfis estocásticos de velocidade do vento usando as densidades espectrais de potência supracitadas. É apresentada também uma análise paramétrica do modelo variando a velocidade do vento à altura do cubo e o raio do rotor da turbina. O fenômeno de oscilações 3p é observado em quase todos os parâmetros de saída do modelo. A presença da torre gera um perfil dente de serra nesses parâmetros que, quando combinado com a flutuação devido ao cisalhamento do vento, é suavizado. A corrente e tensão elétrica no sistema trifásico não apresentaram diferenças significativas. A introdução de perfis estocásticos de velocidade do vento apresentou variações no coeficiente de potência e na tensão elétrica no sistema trifásico gerada pelo modelo. / This work presents the mathematical modelling of an electromechanical transmission system most commonly found in wind turbines, incorporating models of deterministic fluctuations caused by the effects of wind shear and tower shadow, as well as stochastic effects useng Davenport’s and Kaimal’s power spectral densities. Initially, the mathematical formulation of the power train is presented, including the rotor, drivetrain and permanent magnet synchronous generator (PMSG). Additionally, the effects of both wind shear and tower shadow as well as the aforementioned power spectral densities are included afterwards. A parametric analysis is also presented, varying the wind speed at hub height and the radius of the rotor. The phenomenon characterised by the 3p oscillations is observed in almost all output parameters of the model. The presence of the tower generates a sawtooth wave in these parameters, which is smoothed when combined with the wind shear effect. The current and voltage in the three-phase system have not shown any significant change when considering the deterministic fluctuations alone. The introduction of stochastic wind velocities has caused variations in the power coefficient and the three-phase voltage of the transmission system.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2016. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-07-18T18:06:54Z No. of bitstreams: 1 2016_RaffaeldeQueirozAlmeida.pdf: 3539696 bytes, checksum: e6d1e5d75f8ac8743901deaccfbc3831 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-07-26T20:48:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_RaffaeldeQueirozAlmeida.pdf: 3539696 bytes, checksum: e6d1e5d75f8ac8743901deaccfbc3831 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-26T20:48:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_RaffaeldeQueirozAlmeida.pdf: 3539696 bytes, checksum: e6d1e5d75f8ac8743901deaccfbc3831 (MD5) Previous issue date: 2017-07-26 / O desenvolvimento e o crescimento na demanda por energia eólica fazem com que se desenvolvam cada vez mais pesquisas na área de otimização de potência de produção de turbinas eólicas. O presente trabalho mostra a estratégia de modelagem e controle para solucionar a imprecisão nas curvas de potência, causada por um problema de stall em turbinas operando em baixas rotações. A dissertação tem por objetivo fazer a modelagem dinâmica de uma turbina eólica em escala reduzida que está localizada dentro de um túnel de vento, utilizando a variação de uma resistência externa como sinal de entrada para funcionar como um freio eletrônico, além de realizar testes para a validação do modelo proposto. O problema de stall causa um salto em uma determinada zona de pontos de operação causando uma instabilidade no sistema, logo foi aplicado o método de linearização tangente para a correta identificação da zona de instabilidade do sistema e posteriormente foram aplicados no sistema um controlador PID e um controlador por planicidade diferencial. Os testes experimentais realizados com os controladores foram capazes de estabilizar a velocidade de rotação do sistema na zona de instabilidade, provando assim a eficácia da estratégia proposta para o freio eletrônico e assim comprovando que o presente estudo pode ser usado como uma referência na área de controle da velocidade de rotação de turbinas eólicas. / The development and growth in demand for wind energy keeps active research on the power optimization of production area of wind turbines. This work presents the modeling and control strategy to solve the instabilities in the power curves, caused by a stall problem in turbines operating at low speeds. The dissertation aims to make the dynamic modeling of a wind turbine on a reduced scale set up that is located inside a wind tunnel using the variation of an external resistor as an input signal to operate as an electronic brake, and perform tests for validation of the proposed model. The stall problem causes a jump in a certain area of operation points causing system instability, it was applied the method of linearization tangent to the correct identification of system instability zone and later applied to the system with a PID controller and a Flatness controller. The experimental tests performed with the controllers were able to stabilize the system the rotational speed of the unstable area, thus proving the effectiveness of the proposed strategy for the electronic brake and thus confirming that this study could be used as a reference in the control area the rotation speed of wind turbines.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-12-05T17:35:44Z No. of bitstreams: 1 2017_MansourHassanAlkmim.pdf: 6536659 bytes, checksum: a2b50e55330740bf1e8586b274d984c6 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-02-05T17:03:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_MansourHassanAlkmim.pdf: 6536659 bytes, checksum: a2b50e55330740bf1e8586b274d984c6 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-05T17:03:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_MansourHassanAlkmim.pdf: 6536659 bytes, checksum: a2b50e55330740bf1e8586b274d984c6 (MD5) Previous issue date: 2018-02-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). / Os sistemas passivos de dissipação de energia abrangem uma variedade de materiais e dispositivos para melhorar o amortecimento de estruturas. Entre os atuais sistemas de dissipação de energia passiva, o amortecedor de coluna de líquido sintonizado (TLCD), uma classe de controle passivo que utiliza líquido em um reservatório de forma “U”, tem sido amplamente pesquisado em diversas aplicações. O principal objetivo desta dissertação é desenvolver técnicas de análise numéricas e experimentais para um TLCD com aplicação em turbinas eólicas submetido a cargas de vento aleatório. A análise numérica está dividida em duas etapas. A primeira etapa considera o modelo determinístico da turbina e TLCD. Um algoritmo de otimização é utilizado para encontrar parâmetros ótimos do TLCD submetido a espectros de vento aleatório. Em seguida, um exemplo numérico com um modelo de turbina eólica simplificado é estudado para ilustrar a eficácia do TLCD e é mostrado que diferentes espectros de vento podem afetar significativamente os resultados de otimização, isto é, os parâmetros do TLCD. Os resultados no tempo e frequência da análise de vibração aleatória mostram uma redução satisfatória dos níveis de vibração de resposta. Na segunda etapa, considera-se o modelo não determinista com objetivo de quantificar incertezas nos parâmetros do TLCD e da estrutura. A função de resposta em frequência do sistema com TLCD é investigada considerando dois casos de incerteza de parâmetros. Para o primeiro caso, os resultados mostraram que a incerteza só é predominante perto da região de ressonância e antirressonância e pode interferir na condição ideal do TLCD. Para o segundo caso, as incertezas estão presentes em todas a faixa de frequência. Finalmente, uma análise experimental é realizada. A caracterização dos parâmetros modais do TLCD e da estrutura é realizada e os resultados numéricos e teóricos se mostram em boa concordância. Em seguida, A resposta do sistema acoplado é investigada. Os resultados mostram que o efeito da massa adicional é o predominante. Embora o efeito do TLCD tenha sido pequeno, ele apresenta uma redução de vibração próximo a sua frequência natural. / Passive energy dissipation systems encompass a range of materials and devices for enhancing damping. Among the current passive energy dissipation systems, tuned liquid column damper (TLCD), a class of passive control that utilizes liquid in a “U” shape reservoir to control structural vibration of the primary system, has been widely researched in a variety of applications. The main objective of this thesis is to develop numerical and experimental analysis techniques for a liquid column damper subjected to random wind loads with particular application in wind turbines. The numerical analysis in this thesis is divided in two stages. The first stage consider the deterministic model of the wind turbine and TLCD. An optimization approach is used to search for optimized parameters considering different wind spectrums. Then, a numerical example with a simplified wind turbine model is given to illustrate the efficacy of TLCD and it is shown that different wind spectra can significantly affect the optimization results, i.e. the TLCD parameters. Time and frequency domain results from the random vibration analysis are shown with satisfactory reduction of the response vibration levels. In the second stage, nondeterministic model is studied with goal to quantify uncertainties in the damper and structure parameters. The frequency response function is investigated considering two cases of parameter uncertainty. The results showed that, for the former, the uncertainty is only predominant near the resonance and anti-resonance region and can indeed interfere in the optimum condition of the absorber. For the latter, the uncertainties are presented in frequency range. Finally, an experimental characterization of the TLCD and structure is carried out. The characterization of the modal parameters of the TLCD and the structure is performed and the numerical and theoretical results that show good agreement. Then, the response of the coupled system is investigated. Results showed that the effect of added mass is predominant. While the effects of TLCD were minimal, it showed a vibration reduction which validated the correctly tuned TLCD near its natural frequency.