Controle de vibrações em turbina eólica utilizando absorvedor passivo de coluna de líquido sintonizado

Abstract

Mecanismos de absorção de vibração se fazem necessários para reduzir níveis de vibração em diversas aplicações de engenharia como pontes, edifícios, aerogeradores, entre outros. Na literatura existem diversos estudos acerca dos vários tipos de absorvedores. Um dos dispositivos mais promissores para a absorção de energia são os absorvedores que utilizam líquidos devido principalmente a sua simplicidade e baixo custo. Em especial, os Absorvedores por Colunas de Líquido Sintonizado (ACLS) – do inglês Tuned Liquid Column Damper (TLCD) – são uma classe de controle passivo que utilizam líquidos em um reservatório em forma de “U” para controlar a vibração da estrutura primária. A energia é dissipada pela passagem de liquido por um orifício dentro do reservatório que possui perdas de cargas como características intrínsecas associadas a efeitos de turbulência e de fricção. A aplicação estudada no trabalho para esses tipos de dispositivos são as turbinas eólicas. Devido a sua geometria delgada e o alto custo associado a construção e manutenção dessas estruturas, dispositivos de absorção de vibração são aplicados para prolongar a vida útil dos aerogeradores e proteção contra a excitação proveniente das forças dos ventos. Esse trabalho apresenta uma revisão bibliográfica acerca do tema controle estrutural de vibração e seus diversos tipos de dispositivos estudados pela literatura bem como os avanços nas últimas décadas acerca do assunto. Conceitos teóricos básicos de vibrações mecânicas são apresentados como vibração em sistemas com um grau de liberdade, sistemas com dois graus de liberdade e absorvedores de vibração. Também são discutidos tópicos de vibração aleatória dando ênfase às ferramentas estocásticas e probabilística que fornecem conceitos essenciais como densidade espectral de potência e autocorrelação. Em seguida, é apresentado o modelo matemático proposto e os métodos utilizados para tratar a não-linearidade presente no sistema. Métodos de otimização desenvolvidos pela literatura foram usados para se determinar parâmetros otimizados do sistema e por fim uma análise comparativa é realizada considerando o sistema linearizado equivalente e o sistema não-linear utilizando tanto forçamento harmônico quanto forçamento aleatório. A objetivo da análise consiste em comparar o modelo não-linear com o seu equivalente linear. Para isso, utilizam-se os conceitos de linearização estatística que procuram minimizar o erro dessa aproximação. Em seguida são analisadas os métodos de solução utilizando dois tipos de forçamentos, o forçamento harmônico e o forçamento aleatório. iii Para o forçamento harmônico, primeiramente são feitas comparação apenas com o ACLS e depois o sistema integrado a estrutura variando parâmetros. Para a análise com forçamento aleatório, comparam-se os sistema linear e não-linear utilizando os conceitos de densidade espectral de potência. Os resultados apresentados para o forçamento harmônico mostram que o modelo linear apresenta boa acurácia embora a resposta apresente uma maior amplitude que para amortecimento não-linear. Para a análise com forçamento aleatório, primeiro se descreve o algoritmo utilizado e os dois métodos utilizados para a comparação. Nesse caso, o resultados obtidos são apresentados tanto utilizando ruído branco quanto espectro do tipo filtro de primeira ordem, este último apresenta resultados mais satisfatórios pois é um modelo fisicamente mais realista do que o ruído branco. O comparativo foi feito considerando os sistema não-linear e linearizado e obteve-se uma boa aproximação entre os dois.