monopoli10017035

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PROJETO DE PROTÓTIPO DE TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL 
 
 
 
Ruan Arthur Mascarenhas Sousa Teixeira 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL 
ABRIL DE 2016 
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de 
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, 
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como 
parte dos requisitos necessários à obtenção do 
título de Engenheiro. 
 
Orientador: Prof. Flávio de Marco Filho; DSc 
i 
 
 
 
 
 
Teixeira, Ruan Arthur Mascarenhas Sousa Teixeira 
 Projeto de Protótipo de Turbina Eólica de Eixo Horizontal / 
Ruan Arthur Mascarenhas Sousa Teixeira – Rio de Janeiro: UFRJ 
/ Escola Politécnica, 2016. 
 73 p.: il.; 29,7 cm 
 Orientador: Flávio de Marco Filho, D. Sc. 
 Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica / Curso de 
Engenharia Mecânica, 2016 
 Referências Bibliográficas: p. 52 
 1. Aerogerador. 2. Turbina Eólica. 3. Energia. 4. Protótipo. 
 I. Filho, Flávio de Marco. II. Universidade Federal do Rio de 
Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. 
Projeto de Protótipo de Turbina Eólica de Eixo Horizontal. 
ii 
 
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte 
dos requisitos básicos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. 
 
 
Projeto de Protótipo de Turbina Eólica de Eixo Horizontal 
 
Ruan Arthur Mascarenhas Sousa Teixeira 
 
Abril 2016 
 
Orientador: Flávio de Marco Filho 
 
 
Curso: Engenharia Mecânica 
 
À medida que crescem a demanda por energia elétrica e a preocupação com o meio 
ambiente, torna-se cada vez mais comum a procura por maneiras de geração sustentável 
e limpa de energia elétrica. A fonte de energia eólica possui um grande atrativo em seu 
uso, pois se enquadra nos padrões descritos além de ser economicamente viável. Este 
trabalho tem o objetivo de apresentar o projeto de um protótipo de aerogerador de 
pequeno porte de eixo horizontal tratando dos detalhes de dimensionamento e seleção de 
seus principais componentes. 
 
Palavras-chave: Aerogerador, Turbina Eólica, Energia, Protótipo.
iii 
 
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the 
requirements for the degree of Engineer. 
 
 
DESIGN OF A HORIZONTAL-AXIS WIND TURBINE PROTOTYPE 
 
Ruan Arthur Mascarenhas Sousa Teixeira 
 
April/2016 
 
Advisor: Flávio de Marco Filho 
 
Course: Mechanical Engineering 
 
As the demand for enegy and concern for the environment grow, it becomes increasingly 
common to search for ways to generate sustainable and clean energy. Wind power has a 
great value in its use, as it fits the described standards in addition to being economically 
viable. This work aims to present the project of a horizontal axis wind turbine prototype 
regarding the details of designing and selecting of its main components.
iv 
 
1. Introdução ............................................................................................................... 1 
2. Energia Eólica ......................................................................................................... 2 
2.1. Formação dos Ventos ......................................................................................... 2 
2.2. Histórico do Aproveitamento da Energia Eólica ............................................... 5 
2.3. Cenário Nacional ............................................................................................... 7 
3. Aerogeradores ....................................................................................................... 10 
3.1. Turbinas Eólicas de Eixo Vertical ................................................................... 10 
3.2. Turbinas eólicas de Eixo Horizontal ................................................................ 11 
3.3. Turbinas Eólicas de Pequeno Porte.................................................................. 13 
4. Fundamentos teóricos .......................................................................................... 15 
4.1. Potência disponível .......................................................................................... 15 
4.2. Potência Aproveitável – Constante de Betz ..................................................... 17 
5. Projeto.................................................................................................................... 21 
5.1. Principais componentes ................................................................................... 21 
5.2. Dados de Projeto .............................................................................................. 22 
5.3. Pás .................................................................................................................... 23 
5.3.1. Escolha do perfil ....................................................................................... 23 
5.3.2. Comprimento da Corda ............................................................................ 28 
5.3.3. Torção da pá ............................................................................................. 30 
5.3.4. Haste da Pá ............................................................................................... 32 
5.4. Bosso ................................................................................................................ 35 
5.5. Freio ................................................................................................................. 36 
5.6. Multiplicador ................................................................................................... 37 
5.7. Gerador ............................................................................................................ 38 
5.8. Eixo .................................................................................................................. 38 
5.9. Chavetas ........................................................................................................... 44 
5.10. Rolamentos ................................................................................................... 45 
5.11. Acoplamento ................................................................................................ 47 
5.12. Torre ............................................................................................................. 47 
5.13. Cilindro Hidráulico ...................................................................................... 54 
6. Conclusão .............................................................................................................. 56 
7. Referências Bibliográficas ................................................................................... 57 
Anexo I – Porca de Segurança KMFE 6 ..................................................................... 58 
Anexo II – Freio Mayr ROBA-STOP 100/891 ........................................................... 59 
Anexo III – Multiplicador WEG C51217 ................................................................... 61 
Anexo IV – Gerador WEG Premium ......................................................................... 62 
Anexo V – Inversor ....................................................................................................... 63 
v 
 
Anexo VI – Rolamento SKF 22208 EK ....................................................................... 64 
Anexo VII – Mancal SKF SE 508 ................................................................................ 65 
Anexo VIII – Acoplamento ROBA-ES 28/940 ........................................................... 66 
Anexo IX – Dimensões padrão de tubos de aço ......................................................... 67 
Anexo X – Padrão de Flanges ...................................................................................... 68 
Anexo XI – Cilindro Hidráulico – Camisa 100 Eurohidraulics ...............................69 
 
1 
 
1. Introdução 
 
Atualmente, é notório o impacto ambiental causado pela utilização em grande 
escala de combustíveis fósseis para geração de energia. Dessa maneira, em todo o mundo, 
a procura por fontes alternativas de energia e economicamente competitivas tem 
aumentado significativamente. 
O momento em que vivemos apresenta, de forma cada vez mais crescente, a grande 
procura por fontes alternativas de energia. Analisando-se o cenário brasileiro, é possível 
observar que o tipo de energia alternativa que vem mostrando maior crescimento é a 
eólica. 
Este trabalho vai ao encontro desta tendência mundial e tem por objetivo a 
elaboração de um projeto de aerogerador de eixo horizontal de pequeno porte, a ser 
utilizado como alternativa para a microgeração de energia elétrica, contribuindo para o 
desenvolvimento sustentável. 
O capítulo 2 deste trabalho oferece uma explanação geral a respeito da energia 
eólica, explicando os inúmeros processos de formação do vento em nosso planeta; um 
breve resumo histórico do aproveitamento da energia eólica até as condições atuais e 
como se encontra o cenário nacional. 
O capítulo 3 oferece uma breve explicação e descrição dos tipos de aerogeradores 
existentes e utilizados atualmente. 
O capítulo 4 fornece conceitos teóricos a respeito de como é aproveitado a energia 
dos ventos pelos aerogeradores de eixo horizontal e suas limitações. 
O capítulo 5 lista os componentes do aerogerador e descreve detalhadamente como 
cada um deles foi projetado ou selecionado. 
O capítulo 6 é reservado para conclusões e considerações finais deste projeto. 
2 
 
2. Energia Eólica 
2.1. Formação dos Ventos 
 
A energia eólica, assim como diversas outras, é, muitas vezes, considerada, uma 
forma indireta de aproveitamento da energia solar. Tal argumento se justifica, pois os 
ventos são causados pelo aquecimento diferenciado da atmosfera terrestre. 
Esse aquecimento não uniforme da atmosfera acarreta em regiões da atmosfera com 
densidade diferenciada, gerando gradientes de pressão e assim formando o que 
conhecemos como vento. Algumas causas para o aquecimento diferenciado da atmosfera 
terrestre se dá, principalmente, pela orientação dos raios solares e pelos próprios 
movimentos da Terra. Em escala global, o vento possui comportamento geral bem 
definido e seu movimento forma áreas de circulação denominadas células. 
A Figura 1 ilustra a localização e comportamento de cada célula. 
 
 
 
Figura 1 – Células de Hadley, Ferrel e Polar 
 
3 
 
A primeira célula é chamada de Hadley, a qual ocorre nas regiões próximas do 
Equador. Pelo fato de receber muito calor emitido pelo Sol, o ar aumenta de temperatura 
e, por tornar-se menos denso, adquire um movimento de ascensão. Como consequência, 
em virtude da diferença de pressão ocasionada pela subida de ar quente, o ar frio de 
regiões próximas desloca-se paralelamente à superfície para ocupar o espaço aberto. Esse 
movimento forma a camada inferior das células de Hadley. 
O ar presente na alta atmosfera inicia seu percurso em direção aos pólos, até que a 
combinação entre baixa temperatura e alta densidade seja suficiente para provocar um 
movimento de descida de volta à superfície terrestre. 
De volta ao nível superficial, a porção de ar que segue em direção ao Equador fecha 
o ciclo da célula de Hadley. 
A segunda célula é a Polar, a qual, de forma análoga, apresenta uma tendência de 
movimento de ar frio descendente presente na alta atmosfera dos pólos, com posterior 
trajetória paralela à superfície terrestre em direção ao Equador. 
Esta trajetória, por sua vez, é interrompida pelo aumento da temperatura e redução 
da densidade do ar, ocasionando um movimento ascendente, até que parte dele volte a se 
dirigir aos pólos, finalizando o ciclo da célula Polar. 
A terceira e última célula é chamada de Ferrel, ou Meridional Média, a qual possui 
circulação termodinamicamente indireta, uma vez que representa transporte de ar de uma 
região mais fria para uma mais quente. 
Essa célula é um subproduto do transporte de ar das demais células, formada pela 
porção de ar que vai em direção aos pólos por meio da célula Hadley e pela porção de ar 
que vai em direção ao Equador por meio da célula Polar. Assim, de forma grosseira, a 
célula de Ferrel é, muitas vezes, comparada a uma engrenagem acoplada às outras duas 
células, garantindo equilíbrio ao fluxo do vento. 
4 
 
De forma a completar a descrição dos mecanismos de formação dos ventos, é 
preciso levar em consideração o próprio movimento de rotação da Terra. Este modifica o 
sentido dos ventos no interior das células e acrescenta componentes leste-oeste ao 
movimento, formando os ventos Alísios, Orientais e Polares Ocidentais. 
A Figura 2 ilustra o comportamento descrito. 
 
 
Figura 2 – Circulação Global 
 
Somados a esses efeitos, que ocasionam fluxos de vento em escala planetária, 
existem também outros fatores que dão origem aos ventos que sopram em escalas mais 
localizadas. Entre tais fatores, podem ser destacados os seguintes: 
� Aquecimento heterogêneo do solo e da água, provocando: 
• Brisas diurnas, que sopram da terra para as massas de água; 
• Brisas noturnas, que sopram das massas de água para a terra. 
� Presença de variações significativas de relevo suficientes para resultar em 
redirecionamento de fluxos de ar. 
5 
 
 
2.2. Histórico do Aproveitamento da Energia Eólica 
 
Acredita-se que o início da utilização da energia proveniente do vento deu-se por 
volta do ano de 2800 a.C., quando os egípcios teriam começado a fazer uso de velas para 
ajudar a força dos remos a conduzir seus barcos. Os primeiros registros do aproveitamento 
da energia do vento por meio de cata-ventos remetem à Pérsia, em torno de 200 a.C., onde 
eram utilizados na moagem de grãos e eram constituídos de eixo ver tical. Após as 
Cruzadas, a partir do Século XI, os cata-ventos foram inseridos na Europa, momento em 
que se deu início ao processo evolutivo da energia eólico como recurso. 
Foram desenvolvidos os moinhos dotados de eixo horizontal com hélices, bastante 
comuns nos campos ingleses e holandeses, espalhando-se posteriormente para outros 
pontos do continente. 
Os moinhos começaram a ter suas funções diversificadas a partir do século XVI, 
como acionamento de ferramentas de serraria, produção de óleo vegetais, entre outras. 
De fato, na Holanda, entre os séculos XVII e XIX, a utilização de moinhos em grande 
escala estava amplamente relacionada com a drenagem de terras. A utilização mais 
empregada dos moinhos de vento foi, sem dúvida, para bombeamento de água, sobretudo 
em lugares mais ermos. 
Em 1888, com o desenvolvimento de geradores elétricos no século XIX, foi 
utilizado pela primeira vez um cata-vento para geração de energia elétrica. O primeiro 
aerogerador foi construído por Charles F. Brush e consistiu na adaptação a partir de um 
moinho. Posicionado sobre uma torre com 18 metros de altura e dotado de 144 pás, seu 
rotor possuía 17 metros de diâmetro e fornecia 12 kW de potência.[1] A Figura 3 mostra 
uma foto do aerogerador de Brush. 
6 
 
 
Figura 3 - Aerogerador de Charles F. Brush 
 
A primeira turbina eólica a gerar energia eólica ligada à rede elétrica foi 
desenvolvida na Rússia. Em 1931, o aerogerador Balaclava, como veio a ser denominado, 
constituiu a primeira tentativa bem sucedida de conexão, por meio de uma linha de 
transmissão de 6,3 kV de 30 km, entre um aerogerador de corrente alternada com uma 
usina termelétrica.[2] 
O modelo contava com uma potência nominal de 100 kW e apresentou um Fator 
de Capacidade médio de 32%. 
Na década de 1970, com a escassez de reservas de combustíveis fósseis e/ou 
carência de tecnologia apropriada e economicamente viável para sua exploração, 
percebeu-se a necessidade de busca de fontes alternativas de energia e o interesse 
comercial por aerogeradores de grande porte se intensificou.7 
 
2.3. Cenário Nacional 
 
 
No Brasil, o aproveitamento da energia eólica teve seu início em 1992, quando 
seu primeiro aerogerador começou a operar comercialmente. Durante toda a década 
seguinte, no entanto, os avanços na exploração da componente eólica de energia foram 
modestos e sem sinal de sua consolidação como alternativa para geração de energia do 
país.[3] 
Foi apenas em 2002, com a criação do PROINFA – Programa de Incentivo às 
Fontes Alternativas –, que evidenciou-se um desenvolvimento real da indústria eólica no 
Brasil. Surgindo com o objetivo de diversificar a matriz energética brasileira, o programa 
garantiu a compra, mesmo a preços elevados, de energia proveniente de fontes 
alternativas. 
Além de incentivar o desenvolvimento das fontes renováveis em geral na matriz 
energética, o programa, com a contratação de mais de 1400 MW de energia eólica no 
Brasil, também contribuiu para a fixação da indústria de turbinas eólicas e seus 
componentes em território nacional 
No final de 2009, ocorreu o Segundo LER – Leilão de Energia de Reserva –, 
primeiro leilão de comercialização de energia direcionado à fonte eólica de maneira 
exclusiva. A energia contratada no LER, conforme sua nomenclatura sugere, é destinada 
para utilização como reserva de Garantia Física ao sistema elétrico. Por este motivo, o 
LER contrata um volume de energia além do estimado para suprir a demanda do país. 
Os bons resultados do referido leilão, com a contratação de quase 2,0 GW de 
potência instalada em projetos eólicos, permitiram a realização de novos leilões nos anos 
subsequentes, tais como o LFA – Leilão de Fontes Alternativas – em 2010 e o Terceiro 
LER em 2011. [4] 
8 
 
Juntamente com o interesse em exploração do recurso eólico brasileiro, cresce 
também o desenvolvimento da indústria de turbinas eólicas e seus componentes. Isso 
provocou a redução no custo de implantação, permitindo a comercialização da energia 
eólica a preços mais competitivos. 
De fato, o crescimento da importância da energia eólica no Brasil presente até os 
dias de hoje, pode ser demonstrado pela evolução da potência instalada. A Figura 4 mostra 
essa evolução, levando em consideração também, energia já comercializada em leilões, 
com previsão de entrega até 2019, bem como energia comercializada no ACL – Ambiente 
de Contratação Livre. 
 
 
Figura 4 - Evolução da Capacidade Instalada em projetos eólicos no Brasil.[3] 
A Tabela 1 apresenta o tipo de contratação referente ao disposto no gráfico anterior. 
 
 
 
 
 
9 
 
 
Tabela 1 - Detalhamento do tipo de Contratação da energia eólica.[3] 
Leilão Potência Instalada [MW] Número de Parques 
PROINFA 1303,7 53 
LER 2009 1904,8 71 
LER 2010 545,2 20 
LFA 2010 1525,3 50 
LER 2011 861,4 34 
A-3 2011 1055,1 44 
A-5 2011 1024,8 41 
A-5 2012 249,6 9 
LER 2013 1503,5 66 
A-3 2013 867,6 39 
A-5 2013 2337,8 97 
A-3 2014 551,0 21 
LER 2014 769,1 31 
A-5 2014 926,0 36 
LFA 2015 90,0 3 
A-3 2015 538,8 19 
LER 2015 548,2 20 
ACL 815,0 40 
 
Hoje, o Brasil conta com uma capacidade instalada de quase de 9,0 GW 
distribuídos em 360 projetos eólicos ao redor do país com a qual se estima um total de 
emissão de CO2 evitado superior a 15,5 milhões de toneladas por ano. [3] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10 
 
3. Aerogeradores 
 
3.1. Turbinas Eólicas de Eixo Vertical 
 
Caracterizam-se pela disposição do eixo de rotação. Neste tipo de aerogerador, o 
eixo se encontra disposto na vertical, isto é, perpendicular à direção do vento de 
incidência. 
Podendo ser acionada por forças de sustentação ou de resistência aerodinâmica, 
este tipo de turbina tem como principal vantagem a capacidade de manter seu 
funcionamento integral independentemente da direção do vento, devido à orientação de 
seu eixo. 
A Figura 5 ilustra exemplos deste tipo de aerogerador. 
 
 
Figura 5 - Aerogeradores de eixo vertical 
 
Além de não necessitarem de nenhum tipo de mecanismo de orientação, que 
potencialmente encarecem o projeto, este tipo de disposição do eixo é vantajoso, pois 
requer estruturas de sustentação mais simples. 
11 
 
A principal desvantagem desse tipo de turbina é a fraca potência desenvolvida por 
unidade de área de captação de vento. Em geral, essa categoria utiliza perfis simétricos 
que são menos eficientes comparados aos perfis arqueados utilizados nas turbinas de eixo 
horizontal. Além disso, também possuem arranque “forçado”, isto é, necessitam de um 
impulso inicial externo ao sistema para dar início ao seu funcionamento. Isso se dá por 
normalmente se localizarem junto ao solo, onde as velocidades de vento são mais baixas. 
 
3.2. Turbinas eólicas de Eixo Horizontal 
 
São as mais utilizadas hoje em dia por desenvolverem maior força e potência por 
unidade de área de captação do vento. 
Em geral, possuem melhor rendimento que as turbinas com eixo vertical e são 
capazes de alcançar velocidade de rotação mais elevadas. 
Diferentemente das turbinas com eixo vertical, estas máquinas são 
predominantemente acionadas por forças de sustentação e devem possuir mecanismos de 
orientação capazes de garantir a permanência do rotor em posição perpendicular à direção 
do vento. Em turbinas de grande porte, esses mecanismos são compostos por medidores 
de velocidade e direção do vento, sistemas de controle de posição e atuadores elétricos. 
A principal vantagem desse tipo de turbina está no fato de tirarem proveito de 
velocidade de vento mais elevadas, uma vez que se localizam no alto de torres com várias 
dezenas de metros de altura. 
Tem-se como desvantagem, do ponto de vista operacional, a dificuldade no 
transporte e instalação destas máquinas devido às suas grandes dimensões. 
 
 
12 
 
A Figura 6 ilustra esse tipo de aerogerador. 
 
Figura 6 - Aerogerador de eixo horizontal 
 
Neste tipo de turbina é possível posicionar a torre a jusante ou a montante da 
nacele. A figura 7 exemplifica os casos. 
 
 
Figura 7- a) Configuração com rotor a montante. b) Configuração com rotor a jusante 
 
Para rotores a jusante, existe a desvantagem de efeito esteira produzida pela torre, 
tendo como consequência o fato das pás, a cada rotação, serem submetidas a seu efeito. 
Além de aumentar as perdas aerodinâmicas, comprometendo, dessa maneira, a produção 
13 
 
de energia da máquina, a esteira produzida pela torre representa uma carga periódica, 
causando vibração, podendo levar ao comprometimento da integridade das pás por fadiga. 
Além disso, a passagem das pás sobre a esteira produzida pela torre também se 
torna uma fonte de ruído [5]. 
Para rotores a montante, o efeito esteira é causado pelas pás, causando efeitos 
vibratórios na torre. 
3.3. Turbinas Eólicas de Pequeno Porte 
 
Atualmente, existem muitos exemplos de turbinas de pequeno porte, seja 
desenvolvidos por universidades, ou por empresas com fins comerciais. 
Este tipo de turbina eólica classifica-se pelo seu diâmetro e pela potência que 
desenvolve, variando de poucos Watts até 10 kW. 
Neste tipo de aerogerador, a orientação do rotor à direção do vento pode ocorrer 
também pelo mesmo mecanismo descrito para turbinas de grande porte. No entanto, O 
mecanismo mais utilizado é o leme, devido ao pequeno porte dos elementos envolvidos. 
Em alguns casos, inclusive, é preferível optar pela não utilização do sistema de 
orientação do rotor, visando simplificar e, consequentemente, reduzir custos do projeto. 
Esta opção costuma ser utilizada em locais onde a direção do vento apresenta pouca 
variação, isto é, quando se evidencia claramente uma direção predominante de vento, 
como é o caso da maioria dos locais com potencial eólico relevante do Brasil. 
A figura 8 ilustra este tipo de aerogerador. 
 
 
14 
 
 
Figura 8 - Aerogeradores de pequeno porte 
 
Este tipo de turbina eólica, ao redor do mundo, é utilizado majoritariamente para 
complementação do sistema principal de energia de uma determinada casa ou instalação15 
 
4. Fundamentos teóricos 
4.1. Potência disponível 
 
Turbinas eólicas são equipamentos de conversão de energia, utilizadas para 
aproveitar a força oriunda dos ventos para gerar eletricidade. A capacidade do rotor em 
converter a maior parcela possível de energia eólica da massa de ar que flui através da 
área varrida por suas pás é resultado direto de suas propriedades aerodinâmicas. 
A Figura 9 ilustra a concepção básica de uma turbina eólica de eixo horizontal. 
 
 
 
Figura 9 - Concepção básica de uma turbina eólica 
 
A energia cinética � contida em uma determinada massa � de ar que atravessa a 
área � da turbina eólica é dada pela equação a seguir. 
 
� = 12 ���	 
 
16 
 
Onde �
 representa a velocidade do vento a montante do aerogerador. Derivando-
se a equação anterior com relação ao tempo, temos uma relação para a Potência disponível 
no vento: 
 
��
���
��� = 12 �� �
	 
 
Onde �� é o fluxo de massa de ar por unidade de tempo. 
Levando-se em consideração um volume de controle cilíndrico, o fluxo da massa 
de ar pode ser dado por: 
 
�� = ���� 
 
Onde � representa a densidade do ar. Combinando as equações acima, temos: 
 
��
��
��� = 12 ����� 
 
A expressão apresentada é referente à potência disponível total na massa de vento 
estudada. Uma parcela considerável dessa energia não é, de fato, aproveitável, devido ao 
fato de que o vento sempre apresenta uma velocidade residual, com a qual afasta-se do 
rotor. 
De fato, define-se o parâmetro �� denominado Coeficiente de Potência, como: 
 
�� = ��������	 ����� 
 
17 
 
O parâmetro �� expressa diretamente a porcentagem da potência extraída pela 
turbina eólica, comparada com a potência total disponível na massa de vento que passa 
pela área do rotor.. 
4.2. Potência Aproveitável – Constante de Betz 
 
O modelo desenvolvido por Albert Betz pode ser usado para determinar o 
funcionamento e a potência de um rotor ideal. O modelo admite um volume de controle, 
cujas fronteiras são as superfícies de um tubo de fluxo e duas seções transversais do 
referido tubo. [5] e [6] 
A Figura 10 ilustra esse modelo. 
 
 
Figura 10 - Fluxo de vento através de um disco atuador 
 
18 
 
É possível verificar que a turbina é representada por um disco atuador, que gera 
uma descontinuidade na pressão do ar escoando no interior do tubo de fluxo. Aplicando-
se a equação de Bernoulli nos pontos imediantamente antes e depois do rotor, temos: 
�� + 12 ���	 = � + 12 � 	 
� − ∆� + 12 � 	 = �� + 12 � � 
 
Somando as equações, temos: 
∆� = 12 �#��	 − �	$ 
 
Alternativamente, é também possível calcular a queda na presão pelo balanço de 
momento da massa de ar que passa pelo disco atuador. Isto é, pela segunda lei de Newton, 
temos: 
 
∆� = � #�� − �$ 
 
Combinando as duas equações anteriores, calcula-se o valor da velocidade de vento 
no disco atuador: 
 
 = 12 #�� + �$ 
 
Ou seja, a velocidade de vento no disco atuador é a média aritmética das 
velocidades a montante e a jusante do volume de controle. 
19 
 
Modelando a velocidade no disco atuador em função da velocidade a montante, 
obtem-se: 
 
 = ��#1 − &$ 
 
,onde & representa a perda de velocidade de vento. Da mesma forma, vem: 
 
 � = ��#1 − 2&$ 
 
A expressão referente à queda de pressão ∆� pode ser reescrita conforme segue: 
 
∆� = ���#1 − &$��#1 − 1 + 2&$ → ∆� = 2���	&#1 − &$ 
 
Desta maneira, pode-se estabalecer a relação para a Potência Extraída a seguir: 
 
������í�� = (. = ∆��. = 2�����&#1 − &$	 
 
Reescrevendo a definição do Coeficiente de Potência, chega-se à relação: 
 
�� = 2�����&#1 − &$	�	 ����� → �� = 4&#1 − &$	 
 
De maneira a obter o máximo valor possível de �� com relação ao parâmetro &, 
deriva-se a relação anterior e chega-se à expressão: 
 
20 
 
+��+& = 4#1 − &$#1 − 3&$ = 0 → 
→ & = 13 → �� = 1627 ~ 59,3 % 
 
Este limite, denomina-se Coeficiente de Betz #�5$, a partir do qual é definida a 
Potência máxima aproveitável contida na massa de ar estudada: 
 
����
��
��� = �5 12 �� � 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
 
5. Projeto 
5.1. Principais componentes 
 
Um esquema simplificado dos principais componentes de uma turbina eólica são 
apresentados na Figura 11. 
 
Figura 11 - Principais compenentes da turbina eólica de eixo horizontal 
 
Os principais componentes de um aerogerador de eixo horizontaç são: 
• Conjunto Rotor-Bosso/Cubo: O rotor é formado pelas pás e o bosso/cubo é 
o elemento de fixação das pás e de transmissão de movimento aos eixos. 
• Multiplicador: Caixa de engrenagens com o objetivo de elevar a velocidade 
angular para a velocidade ótima para funcionamento do gerador. 
• Gerador: Equipamento responsável por converter energia mecânica em 
energia elétrica. 
• Eixo de baixa e alta rotação: Respectivamente, são os eixos de entrada e 
saída do multiplicador. Em alguns casos, é evidenciada a inexistência de 
eixo de alta rotação, devido à utilização de motorredutor, isto é, gerador 
22 
 
acoplado diretamente ao multiplicdor. De fato, este é o caso abordado neste 
projeto. 
• Freio: Elemento de segurança com função de interromper o movimento dos 
demais componentes em casos de velocidade de vento superior ao nível 
considerado crítico de projeto. 
• Nacele: Componente onde ficam situados o multiplicador, gerador, eixos, 
freio e mancais. Este elemento tem a função de abrigar e proteger os 
referidos equipamentos. 
• Torre: Elemento estrutural, cuja função é sustentar os demais componentes 
e situar o rotor à altura definida em projeto. 
5.2. Dados de Projeto 
 
Como ponto de partida, foram estabelecidos os parâmetros iniciais do projeto 
juntamente com o orientador. Os parâmetros iniciais estabelecidos foram: 
• Velocidade nominal do vento (��): 8 m/s 
• Diâmetro do Rotor (7): 2 m 
• Número de pás (8): 3 
• Altura da torre (9): 12 m 
A partir dos dados fornecidos, calculou-se a Potência Aproveitável pela turbina 
eólica a ser projetada: 
����
��
��� = �5 12 ����� ����
��
��� = 583,8 ; 
23 
 
Levando-se em consideração que os aerogeradores modernos tem seu Coeficiente 
de Potência �� dentro de uma faixa entre 35% e 45%,a estimou-se que a Potência 
Nominal do aerogerador será: 
 
� = �� 12�� � � 443,3	; 
De acordo com os valores encontrados, é realizado o projeto dos componentes do 
aerogerador. 
5.3. Pás 
 
5.3.1. Escolha do perfil 
 
O primeiro passo no projeto das pás foi a escolha do perfil a ser utilizado. A Figura 
12 apresenta a nomenclatura dos elementos básicos do perfil. 
 
 
Figura 12 - Nomenclatura dos elementos básicos do perfil 
 
O perfil escolhido faz parte da família de aerofólios NACA de quatro dígitos, que 
foi utilizado por sua simplicidade e confiabilidade. 
Os quatro dígitos definem o perfil da seguinte maneira: 
• O primeiro dígito descreve a máxima curvatura como porcentagem da 
corda. Atribuir valor igual a 0 para o primeiro dígito equivale a definir um 
perfil simétrico. 
24 
 
• O segundo dígito dá a localização do ponto de máxima curvatura com 
relação à extremidade dianteira em dezenas de porcentagem do 
comprimento da corda. 
• Os dois últimos dígitos representam a espessura máxima em porcentagem 
do comprimento da corda. 
Para escolher adequadamente o perfil a ser utilizado, foram analisadas as forças de 
sustentação e arrasto que agem sobre a pá. 
 
 
Figura 13 – Componentes de esforços na pá 
Na Figura 13, são definidas as seguintes variáveis: 
 < � �� → Velocidade do Vento Ω → Velocidade angular do rotor. 
; → Velocidade do vento relativa à pá. 
> → Ângulo de ataque. 
? → Ângulo de torção da pá. 
@ → Ângulo de incidência da velocidade ;, com relação ao plano de rotação. 
A → Força de Sustentação. 
7 → Força de Arrasto. 
 
25 
 
São introduzidos também as projeções das forças de Sutentação e Arrasto nas 
direções paralela e perpendicular ao plano de movimento. 
(BCç& �&C&EFE& = (� = A sin @ − 7 cos @ (BCç& �FC�FL+MNOE&C= (	 = A cos @ + 7 sin @ 
A Força (� é responsável pelo torque nas pás, enquanto que a Força (	, por incidir 
perpendicularmente ao plano de rotação, não contribui com o movimento do rotor. Por 
outro lado, a Força (	, impacta diretamente nos esforços a serem suportados na fixação 
das pás. 
As forças de sustentação e arrasto podem ser calculadas pelas seguintes fórmulas: 
PA = 12 �;	N��PC P7 = 12 �;	N��PC 
Onde: 
�� → Coeficiente de Sustentação �� → Coeficiente de Arrasto N → Comprimento da corda da pá 
PC → Diferencial da distância do ponto considerado até o centro do rotor. 
As fórmulas anteriores permitem a integração ao longo do comprimento da pá para 
determinação da força total de sustentação e arrasto. 
Foi utilizado o software livre QBLADE para cálculo desses parâmetros. Como 
alternativa às simulações CFD, que são custosas e demandam tempo, o software utiliza 
ferramentas baseadas no método BEM (Blade Element Momentum). Por esse motivo, o 
programa possui a limitação de não ser capaz de modelar comportamentos viscosos, o 
que, para o propósito deste trabalho, foi interpretado como aceitável e os resultados foram 
considerados confiáveis e satisfatórios. 
26 
 
O software apresenta como resultados, gráficos dos parâmetros aerodinâmicos em 
função do ângulo de ataque. Após análise de diversos perfis, foi selecionado o perfil 
NACA 4618, por apresentar coeficiente de sustentação compatível com o propósito do 
projeto e relação sustentação/arrasto elevada. 
A Tabela 2 a seguir apresenta alguns perfis estudados e os resultados obtidos. 
 
Tabela 2 - Perfis estudados e resultados obtidos 
Perfil > �� ��/�� 
NACA4415 10° 1,413 46,73 
NACA4418 12° 1,447 35,68 
NACA4420 6° 1,002 31,58 
NACA4618 8° 1,262 48,93 
NACA5618 8° 1,345 48,82 
 
Na Tabela 2, > representa o ângulo de ataque correspondente à máxima relação 
CS/CT. Pode-se verificar que o perfil que apresenta melhor relação ��/�� é o NACA4618 
com um ângulo de ataque igual a 8°. 
As Figuras 14 a 16 ilustram a variação dos parâmetros aerodinâmicos do perfil 
escolhido em função do ângulo de ataque. 
 
 
Figura 14 - Variação do Coeficiente de Sustentação com o ângulo de ataquedo perfil NACA 4618. 
 
27 
 
 
Figura 15 - Variação do Coficiente de Arrasto com o ângulo de ataque do perfil NACA 4618. 
 
 
Figura 16 - Variação da razão Sustentação/Arrasto com o ângulo de ataque do perfil NACA 4618. 
 
É possível observar também, pelos gráficos apresentados, que, a partir de 
determinado ângulo de ataque, os valores de �� e �� sofrem uma alteração brusca em seus 
valores. A este fenômeno dá-se o nome de estol, que se configura pelo descolamento do 
escoamento. Durante este fenômeno, observa-se uma queda repentina na sustentação 
proporcionada pelo perfil selecionado. 
 
A Figura 17 apresenta uma representação do perfil selecionado. 
28 
 
 
Figura 17 - Representação do perfil NACA 4618 
 
5.3.2. Comprimento da Corda 
 
Visando alcançar a máxima extração de energia possível do vento, os elementos do 
aerogerador precisam ser otimizados para alcançar este objetivo. 
Selecionado o perfil a ser utilizado, torna-se possível utilizar suas características 
aerodinâmicas para calcular a variação do comprimento da corda da pá ao longo de seu 
comprimento, segundo a fórmula a seguir. [7] 
8N2UV W�� = XYZ[Y + W	\	 ]1 + 	Y#^_`_$a	 
 
Onde: 
W →Tip Speed Ratio. Razão entre a velocidade na ponta da pá e velocidade do 
vento. 
\ = �b → Razão percentual da distância do ponto estudado até o Centro do Rotor. 
Uma vez que, a princípio, não nos é conhecido o valor de W, foi aplicado um método 
iterativo de cálculo. O método consistiu nos seguintes passos: 
1- Assumir um valor inicial para W. 
2- Calcular, pela fórmula anterior, a variação do comprimento da corda ao longo da pá. 
29 
 
3- De posse da variação do comprimento da corda ao longo da pá, integrar as 
contribuições de sustentação e arrasto, PA e P7 respectivamente, para então calcular a 
força favorável ao movimento na pá. 
4- Calcular o torque no rotor e, considerando a Potência calculada anteriormente, calcular 
a velocidade angular do rotor. 
5- Calcular o novo valor de W e comparar com o original. 
Após algumas tentativas, verificou-se que: 
λ � 3,3 → Ω = 250 C�� 
Após obtenção do valor de W, foram considerados os valores de N calculados ao 
longo do comprimento da pá. A Tabela 3 apresenta os resultados obtidos. 
 
Tabela 3 - Comprimento da corda ao longo da pá d c [mm] d c [mm] 
0,10 373 0,60 207 
0,15 390 0,65 194 
0,20 377 0,70 182 
0,25 353 0,75 171 
0,30 327 0,80 162 
0,35 301 0,85 153 
0,40 278 0,90 146 
0,45 257 0,95 139 
0,50 238 1,00 132 
0,55 221 
 
Como é possível analisar pela Figura 18, ao aproximar-se do centro do rotor, o 
torque favorável à rotação fornecido pelo vento decresce. Como consequência, tirando 
proveito de haver menor quantidade de energia sendo aproveitada nessa região, foram 
efetuados ajustes nos valores obtidos apresentados na Tabela 4. 
Os ajustes foram efetuados visando redução do tamanho e, consequentemente, peso 
das pás. A Tabela 4 apresenta os valores utilizados para projeto da variação do 
comprimento da corda das pás. 
30 
 
 
Figura 18 - Distribuição de torque favorável à rotação 
Tabela 4 - Comprimento da corda ao algo da pá utilizado d c [mm] d c [mm] 
0,10 60 0,60 207 
0,15 210 0,65 194 
0,20 300 0,70 182 
0,25 330 0,75 171 
0,30 320 0,80 162 
0,35 301 0,85 153 
0,40 278 0,90 146 
0,45 257 0,95 139 
0,50 238 1,00 132 
0,55 221 
 
5.3.3. Torção da pá 
 
Uma vez que se trata de um aerogerador de pequeno porte, considerou-se, por 
simplicidade, que as características aerodinâmicas obtidas para o perfil selecionado são 
constantes ao longo de toda a pá. 
Dessa forma, de maneira a manter o ângulo de ataque > da pá constante por todo o 
seu comprimento, foram calculados os ângulos de torção ? ao longo da pá, segundo as 
equações a seguir. [7] 
@ � &CNef g 	�W\ h1 + 	�^_`_ij 
0
2
4
6
8
10
12
14
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
N
m
/m
m
Distribuição de Torque Favorável à Rotação
31 
 
? � @ − > 
A Tabela 5 apresenta os resultados desses cálculos e a Figura 19 ilustra a 
modelagem das pás antes e depois de ser aplicada a torção nas pás. 
Tabela 5 - Torção da pá d k[°] l[°] d k[°] l[°] 
0,10 15,7 7,7 0,60 16,1 8,1 
0,15 19,8 11,8 0,65 15,3 7,3 
0,20 21,7 13,7 0,70 14,5 6,5 
0,25 22,2 14,2 0,75 13,7 5,7 
0,30 21,9 13,9 0,80 13,1 5,1 
0,35 21,1 13,1 0,85 12,4 4,4 
0,40 20,1 12,1 0,90 11,9 3,9 
0,45 19,1 11,1 0,95 11,3 3,3 
0,50 18,1 10,1 1,00 10,9 2,9 
0,55 17,1 9,1 
 
 
 
Figura 19 - Modelagem antes e depois da aplicação da torção nas pás. 
32 
 
 
5.3.4. Haste da Pá 
 
A haste é o elemento que conecta a pá ao bosso e deve ser fixada na linha neutra 
axial da pá, onde minimizam-se ou anulam-se os efeitos de torção. A localização da 
referida linha neutra pode ser definida, de forma prática, como um quarto do comprimento 
da corda. [7] 
Para dimensionamento da haste foram levados em consideração os esforços do 
vento sobre a pá, assim como seu próprio peso e o efeito inercial de rotação. 
Os efeitos foram considerados separadamente e são apresentados a seguir. 
• Esforços do vento 
 
Conforme mencionado no capítulo 5.1.1., existe uma componente da força causada 
pelo vento, perpendicular ao plano de rotação, isto é, que não contribui para o movimento 
do rotor. Esta componente é dada pela relação: 
(	 � A cos@ + 7 sin@ 
Desta maneira, foram calculadas as contribuições ao longo da pá, para cálculo das 
reações no ponto de fixação. Foi levado em consideração o caso extremo de vento a 15 
m/s. 
Utilizando os resultados obtidos, as reações de apoio na haste da pá foram 
calculadas e são apresentadas a seguir. 
V����
 � 63,1 8 m����
 = 31,6 8� 
 
As figuras 20 e 21 ilustram a distribuição dos esforços internos ao longo da pá. 
33 
 
 
Figura 20 - Esforço Cortante ao longo da pá 
 
 
Figura 21 - Momento Fletor ao longo da páO momento fletor máximo encontra-se no ponto de fixação da pá e seu valor 
absoluto é apresentado a seguir: 
mn� � 31,6 8� 
• Peso da pá 
 
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
[N
]
[m]
Esforço Cortante
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
[N
m
]
[m]
Momento Fletor
34 
 
O volume da pá, bem como a localização de seu centro de massa, foi calculado com 
auxílio do software Autodesk Inventor e, selecionada a fibra de vidro como material a ser 
utilizado em sua fabricação, foi possível calcular o peso de cada pá. 
Considerou-se que o maior esforço acontece quando a pá se encontra em posição 
horizontal, por se tratar da maior distância do centro de massa até ponto de fixação. O 
cálculo do momento fletor máximo e seu valor absoluto são apresentados a seguir. 
�FoB � 164 8 
p∗#NFLeCB +F �&oo&$ = 343 �� 
mn_ = 56,2 8� 
Os esforços calculados (mnr e mn_) encontram-se em planos perpendiculares, de 
maneira que causam flexão em dois planos. A tensão máxima de flexão para seções 
circulares nesses casos pode ser obtida pela fórmula a seguir. [8] 
st = 32U+� #m�	 + m		$�/	 
Onde + representa o diâmetro da haste. 
• Efeitos Inerciais 
X’ 
Levando-se em consideração os efeitos inerciais de rotação chegamos ao valor 
máximo de tensão. Para cálculo da tensão adicional, foram utilizadasas relações a seguir: 
 
(u = �Ω	V = 11,5 v8 
st = 32U+� #m�	 + m		$r_ + 4U (u+	 
 
Diferentes valores de diâmetro foram testados e seus respectivos coeficientes de 
segurança foram analisados. O material a ser utilizado na haste será o aço AISI 1050 
temperado e revenido a 425 °C, por apresentar boa resistência mecânica oferecendo 
35 
 
segurança à operação da pá em condições críticas. O aço selecionado possui as seguintes 
características: 
wx� � 1090 m�& wy = 793 m�& 
9z = 187 
+ = 25,4 �� → st = 263,3 m�& → �w = 3,0 
5.4. Bosso 
 
Responsável por transmitir o torque oriundo do vento para o eixo, o bosso foi 
dimensionado considerando-se uma proporção de 10% do diâmetro do rotor. A Figura 22 
apresenta o modelo utilizado. 
 
Figura 22 - Representação do bosso utilizado 
 
 
Para chegar ao design final do bosso, foram pesquisados vários modelos utilizados 
no mercado. Este componente será produzido em aço SAE 1020, por oferecer boa 
36 
 
usinabilidade. A haste das pás será encaixada ao bosso e um pino será utilizado para 
garantir fixação do rotor ao cubo. 
O bosso será fixado ao eixo, utilizando uma porca de segurança da SKF Anexo I. 
 
5.5. Freio 
 
O freio é responsável pela interrupção do funcionamento de todo o sistema, caso 
sejam atingidas condições críticas, ou para o caso de manutenção de algum componente, 
cuja verificação demande parada total do equipamento. 
Visando maior segurança e confiabilidade, optou-se pela utilização de um freio com 
acionamento eletromagnético. O funcionamento se dá de maneira que o freio, 
normalmente energizado, permaneça desacoplado devido ao campo magnético atuante, 
mantendo o giro do eixo livre. O sistema de frenagem é acionado interrompendo-se o 
campo magnético. 
De forma ideal, o eixo seria acoplado ao eixo de alta rotação, devido ao menor 
torque atuante. Esta escolha permitiria a seleção de um freio menor e mais leve. No 
entanto, uma vez que optou-se pela utilização de um motorredutor, esta opção não seria 
possível. 
Para dimensionamento do freio, considerou-se o caso de velocidade crítica igual a 
15 m/s. Os cálculos são apresentados a seguir. 
 
�u � 12 �5���u� = 3,8 v; 
{u = �u| = 147 8� 
 
37 
 
Levando em consideração os critérios levantados, selecionou-se o modelo Holding 
brake M100 do fabricante Mayr com torque nominal de 180 Nm – Anexo II. 
 
�w � {n��
{u � 1,2 
5.6. Multiplicador 
 
O multiplicador é responsável por elevar a rotação do eixo de baixa para a rotação 
determinada para o eixo de alta. Para o caso deste projeto, optou-se pela utilização de um 
motorredutor, isto é, suprime-se a utilização de um eixo de alta rotação e liga-se o gerador 
diretamente ao multiplicador. 
O gerador selecionado, que será abordado com mais detalhes no próximo capítulo, 
possui rotação nominal de 1725 rpm. Logo, para melhor operação, necessita-se de um 
multiplicador com fator de multiplicação mais próximo possível de 6,90. 
Optou-se pelo redutor WEG C51217 – Anexo III – devido a suas dimensões 
relativamente pequenas e por possuir alta disponibilidade no mercado. O modelo em 
questão apresenta fator de redução de 7,05 de modo que a rotação final será de 1762,5 
rpm, cujo excedente não chega a representar um grande problema. O rendimento esperado 
é de 90,0 % segundo o fabricante. 
A Figura 23 apresenta o multiplicador selecionado. 
38 
 
 
Figura 23 - Modelo do multiplicador utilizado 
 
5.7. Gerador 
 
Como gerador será utilizado um motor WEG de 0,55 W. O modelo utilizado será o 
W22 Premium com 4 polos 220/380 V Carcaça 80 – Anexo IV. Sua seleção se justifica 
pela alta disponibilidade no mercado e alto rendimento. 
O motor será ligado a um inversor, também da WEG, modelo CFW10 – Anexo V. 
O inversor é responsável por tratar a corrente gerada pelo motor, possibilitando sua futura 
utilização e controlando o funcionamento do equipamento, visando maior eficiência para 
diferentes condições de vento. 
5.8. Eixo 
 
Além de ser responsável por transmitir o torque do rotor ao multiplicador, o eixo 
deve suportar o peso do rotor e ser compatível com todos os elementos a ele conectados. 
O suporte do eixo será feito por dois rolamentos autocompensadores de rolos, da 
SKF, que serão descritos mais detalhadamente nos próximos capítulos. 
Para o dimensionamento do eixo foram levados em consideração os esforços 
referentes ao peso do rotor e ao acionamento do torque de frenagem. Os valores são 
apresentados a seguir. 
39 
 
��á � 164 8 
�5
��
 = 63,9 8 ��
��� = 3�}á + �5
��
 = 555,7 8 { = 180 8� 
A Figura 24 ilustra os esforços internos no eixo ao longo de seu comprimento para 
a configuração final. 
 
Figura 24 – Esforço Cortante e Momento Fletor ao longo do eixo 
 
A partir da configuração apresentada, são analisados os pontos críticos. O material 
a ser utilizado para o eixo é o aço ASTM 1040 laminado a frio. 
wx� = 520 m�& 
40 
 
wy � 290 m�& 
9z = 149 
�w = 3 
 
Ponto crítico 1 – Momento Fletor Máximo. 
m#152,5 ��$ = 84,8 8� 
{ = 180 8� 
7 = 35 �� 
Critério de Máxima Tensão Cisalhante. [8] 
7~�� = �32�wUwy . �m	 + {	� = 27,6 �� 
Critério de Máxima Energia de Distorção. [8] 
7~�� = �32�wUwy �m	 + 34 {	� = 25,6 �� 
Critério de Carregamento Dinâmico (Soderberg): [8] 
Limite de Resistência a Fadiga wF� = 0,5wx� = 260 m�& 
do Corpo de Prova 
Fator de Acabamento Superficial v� = 4,51 . 580��,	�� = 0,860 
Fator de Forma v5 = 1,24 . 35��,��� = 0,848 
Fator de Confiabilidade vu#99%$ = 0,814 
Fator de Temperatura v�#{ < 350° ($ = 1 
Fator de Concentração de Tensões v� = 1 
Limite de Resistência a Fadiga wF = wF�v�v5vuv�v� = 154,3 m�& 
do Elemento de Máquina 
41 
 
7��� � �32�wU �� {wy�	 + �mwF�	� = 29,4 �� 
 
Ponto Crítico 2 – Concentrador de tensão – Chaveta do bosso 
m#12,5 ��$ = 6,9 8� 
{ = 180 8� 
7 = 30 �� 
Critério de Máxima Tensão Cisalhante: 
7~�� = �32�wUwy . �m	 + {	� = 26,7 �� 
Critério de Máxima Energia de Distorção: 
7~�� = �32�wUwy �m	 + 34 {	� = 24,2 �� 
Critério de Carregamento Dinâmico (Soderberg): 
Limite de Resistência a Fadiga wF� = 0,5wx� = 260 m�& 
do Corpo de Prova 
Fator de Acabamento Superficial v� = 4,51 . 580��,	�� = 0,860 
Fator de Forma v5 = 1,24 . 35��,��� = 0,861 
Fator de Confiabilidade vu#99%$ = 0,814 
Fator de Temperatura v�#{ < 350° ($ = 1 
Fator de Concentração de Tensões vn∗ = 1,3 (Rasgo de chaveta) 
 v� = 0,769 
Limite de Resistência a Fadiga wF = wF�v�v5vuv�v� = 120,6 m�& 
do Elemento de Máquina 
42 
 
7��� � �32�wU �� {wy�	 + �mwF�	� = 26,7 �� 
 
Ponto Crítico 3 – Concentradorde tensão – Mudança de diâmetro 
m#137 ��$ = 76,4 8� 
{ = 180 8� 
7 = 35 �� 
Critério de Máxima Tensão Cisalhante: 
7~�� = �32�wUwy . �m	 + {	� = 27,4 �� 
Critério de Máxima Energia de Distorção: 
7~�� = �32�wUwy �m	 + 34 {	� = 25,3 �� 
Critério de Carregamento Dinâmico (Soderberg): 
Limite de Resistência a Fadiga wF� = 0,5wx� = 260 m�& 
do Corpo de Prova 
Fator de Acabamento Superficial v� = 4,51 . 580��,	�� = 0,860 
Fator de Forma v5 = 1,24 . 35��,��� = 0,848 
Fator de Confiabilidade vu#99%$ = 0,814 
Fator de Temperatura v�#{ < 350° ($ = 1 
Fator de Concentração de Tensões 7 +⁄ = 1,4 
 C +⁄ = 0,08 
 v�� = 1,7 
 � = 0,8 
 vn∗ = 1,56 
 v� = 0,641 
Limite de Resistência a Fadiga wF = wF�v�v5vuv�v� = 98,9m�& 
43 
 
do Elemento de Máquina 
7��� � �32�wU �� {wy�	 + �mwF�	� = 31,2 �� 
 
Ponto Crítico 4 – Concentrador de tensão – Freio 
m#248 ��$ = 53,9 8� 
{ = 180 8� 
7 = 35 �� 
Critério de Máxima Tensão Cisalhante: 
7~�� = �32�wUwy . �m	 + {	� = 27,1 �� 
Critério de Máxima Energia de Distorção: 
7~�� = �32�wUwy �m	 + 34 {	� = 24,8 �� 
Critério de Carregamento Dinâmico (Soderberg): 
 
Limite de Resistência a Fadiga wF� = 0,5wx� = 260 m�& 
do Corpo de Prova 
Fator de Acabamento Superficial v� = 4,51 . 580��,	�� = 0,860 
Fator de Forma v5 = 1,24 . 35��,��� = 0,848 
Fator de Confiabilidade vu#99%$ = 0,814 
Fator de Temperatura v�#{ < 350° ($ = 1 
Fator de Concentração de Tensões vn∗ = 1,3 
 v� = 0,769 
Limite de Resistência a Fadiga wF = wF�v�v5vuv�v� = 118,7 m�& 
44 
 
do Elemento de Máquina 
7��� � �32�wU �� {wy�	 + �mwF�	� = 28,6 �� 
 
5.9. Chavetas 
 
As chavetas são elementos utilizados para transmitir movimento de rotação entre 
eixo e cubo. Neste projeto, foram utilizadas chavetas para transmitir movimentação entre 
o rotor e o eixo e, também, entre o freio e o eixo. 
O dimensionamento destes elementos foi desenvolvido baseado na situação crítica 
de operação determinada para o projeto. 
Conforme explorado em capítulos anteriores, o maior torque ao qual o eixo será 
exposto se dará no caso de acionamento do freio ao se alcançar a velocidade de vento 
crítica de projeto. O material selecionado para as chavetas foi o Aço AISI 1010 laminado. 
wx� = 325 m�& wy = 180m�& 
9z = 95 
A&CfOC& +& Nℎ&�Fe&: � = 8 �� 
�EeOC& +& Nℎ&�Fe&: e = 7 �� 
�B��CM�FLeB +& Nℎ&�Fe&: A = 25 �� 
• Chaveta do bosso 
7Mâ�FeCB +B FMpB L& oFçãB +& Nℎ&�Fe&: + = 30 �� 
Cálculo da tensão de compressão [8]: 
s = 4{~��+. e. A = 137,1 m�& 
45 
 
Coeficiente de Segurança de compressão [8]: 
�wu
t�����ã
 � wys � 1,3 
Cálculo da tensão de cisalhamento [8]: 
� = 2{~��+. �. A = 60,0 m�& 
Coeficiente de Segurança de cisalhamento [8]: 
�wu
�����t���
 = 0,577wy� = 1,7 
• Chaveta do freio 
7Mâ�FeCB +B FMpB L& oFçãB +& Nℎ&�Fe&: + = 35 �� 
Cálculo da tensão de compressão: 
s = 4{~��+. e. A = 117,6 m�& 
Coeficiente de Segurança de compressão: 
�wu
t�����ã
 = wys = 1,5 
Cálculo da tensão de cisalhamento: 
� = 2{~��+. �. A = 51,4 m�& 
Coeficiente de Segurança de cisalhamento: 
�wu
�����t���
 = 0,577wy� = 2,0 
5.10. Rolamentos 
 
Considerando o tempo de operação da maioria dos empreendimentos eólicos, os 
rolamentos foram selecionados considerando este tempo de vida. 
De acordo com as orientações do fabricante, foi selecionado o tipo mais adequado 
de rolamento de acordo com o tipo e intensidade do carregamento estático e dinâmico. 
46 
 
Foram selecionados rolamentos autocompensadores de rolos, adequados para 
suportar cargas combinadas, isto é, carga radial e carga axial, se a componente axial for 
relativamente pequena. Os modelos selecionados, denominados 22208 EK – Anexo VI – 
serão utilizados em conjunto com a caixa de mancal SE 508 – Anexo VII. [9] 
O cálculo do tempo de vida foi efetuado de acordo considerando o rolamento, cuja 
solicitação é mais elevada. 
Carga dinâmica equivalente P do rolamento: 
� � (� +  �(� , oF (�(� ≤ F 
� = 0,67(� +  	(� , oF (�(� > F 
Os parâmetros  �,  	e F são referentes ao rolamento e podem ser verificados no 
Anexo VI. De acordo com os estudos realizados nos capítulos anteriores,podemos 
calcular os esforços radial e axial no rolamento: 
(� = 878,8 8 (� = 198,0 8 � = 1354,0 8 
Dessa maneira, calcula-se o tempo de vida nominal básica para 90% de 
confiabilidade, pela relação: [9] 
A�� = ����� 
Onde C é a Capacidade de Carga Dinâmica do rolamento e pode ser verificado no 
Anexo VI. 
A�� = 385029 �MEℎõFo +F CF�BEOçõFo 
Para um tempo de vida de 20 anos, considerando a velocidade angular do eixo, é 
esperado um tempo de vida mínimo de 2628 milhões de revoluções. Uma vez que o valor 
calculado excede este valor mínimo, o rolamento foi selecionado corretamente. 
47 
 
5.11. Acoplamento 
 
Foi selecionado, para o projeto, acoplamentos elásticos flexíveis do Fabricante 
Mayr. Foi selecionado o modelo 28/940.522.A/25/25 – Anexo VIII. O modelo utilizado 
contém um elemento intermediário de poliuretano que, além de permitir eventuais 
desalinhamentos, evita ruídos e vibrações do sistema. O acoplamento é utilizado para 
conectar o eixo projetado ao eixo do motorredutor. 
A Figura 25 apresenta o modelo de acoplamento utilizado. 
 
 
Figura 25 - Acoplamento do fabricante Mayr. 
 
5.12. Torre 
 
A torre é responsável pelo posicionamento do conjunto rotor-nacele na altura 
conveniente ao seu funcionamento, isto é, altura onde são alcançados os valores de 
velocidade de vento que garantem a operação adequada da máquina. Este componente 
deve oferecer a sustentação necessária para a atividade segura do aerogerador e, para tal, 
foram analisadas as forças atuantes sobre ela. 
Considerou-se para esse estudo que, durante a operação da máquina, a torre se 
comporta como uma coluna engastada em uma das extremidades e livre na outra, onde 
está localizada a máquina. A torre será dividida em três segmentos de seções tubulares 
48 
 
Schedule 40 – Anexo IX. A conexão entre os segmentos da torre será efetuada por flanges 
com dimensões baseados no padrão americano – Anexo X. 
As características dos segmentos são apresentadas a seguir: 
 
Material dos tubos AISI 1020 Laminado 
Tensão de ruptura wx� � 450 m�& 
Tensão de escoamento wy = 330 m�& 
Dureza Brinell 9z = 143 
Módulo de Elasticidade � = 200 ¤�& 
 
Segmento 1 – Solo – Tubo 6” Schedule 40 – Anexo IX. 
 
Diâmetro maior 7 = 168,3 �� 
Diâmetro menor + = 154,08 �� 
Densidade linear \ = 28,23 vf/� 
Área da Seção � = ¥#�_��_$[ = 3600,5 ��	 
Momento de Inércia ¦ = ¥#�§��§$�[ = 1,172 × 10���[ 
 
Segmento 2 – Meio – Tubo 5” Schedule 40 – Anexo IX. 
 
Diâmetro maior 7 = 141,3 �� 
Diâmetro menor + = 128,2 �� 
Densidade linear \ = 21,75 vf/� 
Área da Seção � = ¥#�_��_$[ = 2772,8 ��	 
49 
 
Momento de Inércia ¦ � ¥(�§��§)�[ � 6,308 × 10���[ 
 
Segmento 3 – Topo – Tubo 4” Schedule 40 – Anexo IX. 
 
Diâmetro maior 7 = 114,3 �� 
Diâmetro menor + = 102,26 �� 
Densidade linear \ = 16,06 vf/� 
Área da Seção � = ¥#�_��_$[ = 2047,8 ��	 
Momento de Inércia ¦ = ¥#�§��§$�[ = 3,010 × 10���[ 
 
Neste tipo de situação, o principal cuidado para o qual atentar é na prevenção da 
flambagem. 
Para verificar se a flambagem constitui um risco real neste caso, foi calculada a 
Carga Crítica de Flambagem. Os cálculos são apresentados a seguir. [8] 
 
Altura da torre A = 12 � 
Raio de giração v = Z �� = 38,34 �� 
Índice de esbeltez A v⁄ = 312,97 
Carga Crítica de Flambagem �u� = �×¥_×�#© ª⁄ $_ = 10316,9 8 
Peso total da máquina � = 3837,88 
Coeficiente de segurança �w = 7,3 
para flambagem 
50 
 
O tubo em questão foi selecionado de maneira a serem alcançados valores 
recomendados de coeficientes de segurança acima de 7, uma vez que a flambagem é um 
fenômeno altamente indesejado. 
Para dimensionamento da torre com relação ao escoamento do vento, será 
considerado o estudo do ponto de engaste como seção crítica. Conforme calculado 
anteriormente,o esforço horizontal no rotor: 
(� � 198,0 8 
Momento Fletor Máximo (no ponto de engaste): 
m = (�A = 2375,7 8� 
Segmento 1 
 
Tensão de Flexão Máxima [8]: 
sn = m72¦ = 17,1 m�& 
Tensão de Compressão [8]: 
su = ��
���� = 0,179 m�& 
Tensão de cisalhamento no engaste [8]: 
� = �«�¦ = 2�� #wFçãB eO�OE&C$ = 0,018 m�& 
Tensão Equivalente [8]: 
s�¬ = �s	 + 3�	 = 17,24 m�& 
Coeficiente de Segurança para escoamento do vento [8]: 
�w = 19,1 
Além deste estudo, uma das preocupações durante o projeto do aerogerador foi a 
viabilização do acesso à máquina quando for necessária a realização de manutenção em 
alguma das partes do conjunto. Com este objetivo, projetou-se para esta torre um sistema 
51 
 
de elevação pivotante, utilizando um cilindro hidráulico, de forma que todo o conjunto 
possa ser facilmente erguido ou abaixado, conforme necessidade. 
Para dimensionamento dos segmentos da torre, levou-se em consideração o 
processo de elevação do conjunto, no qual serão encontrados os máximos carregamentos 
sofridos com a torre na posição horizontal. 
A Figura 26 apresenta os gráficos com os esforços internos na torre ao longo de seu 
comprimento. 
 
 
 
Figura 26 – Esforço Cortante e Momento Fletor ao longo do comprimento da torre 
 
A seguir são calculados os respectivos coeficientes de segurança das seções que 
sofrem maiores solicitações [8]. 
52 
 
Segmento 1. 
 
Esforço Cortante Máximo �(0,41 �$ = 66020,68 
no Segmento 1 
Momento Fletor Máximo m#0,41 �$ = 27045,28� 
no Segmento 1 
Tensão Normal Máxima s = ~�	� = 194,2m�& 
Tensão Cisalhante Máxima � = ­®5� = 	­� (Seção tubular)= 36,7m�& 
Tensão Equivalente s�¬ = √s	 + 3�	 = 204,4 m�& 
Coeficiente de Segurança �w = 1,6 
 
Segmento 2 – Meio – Tubo 5” Schedule 40 – Anexo IX. 
 
Esforço Cortante Máximo �#4 �$ = 2730,18 
no Segmento 2 
Momento Fletor Máximo m#4 �$ = 15459,58� 
no Segmento 2 
Tensão Normal Máxima s = ~�	� = 173,1m�& 
Tensão Cisalhante Máxima � = ­®5� = 	­� (Seção tubular)= 2,0m�& 
Tensão Equivalente s�¬ = √s	 + 3�	 = 173,2 
Coeficiente de Segurança �w = 1,9 
 
Segmento 3 – Topo – Tubo 4” Schedule 40 – Anexo IX. 
 
Esforço Cortante Máximo �#8 �$ = 1876,68 
no Segmento 3 
53 
 
Momento Fletor Máximo m(8 �$ = 6246,18� 
no Segmento 3 
Tensão Normal Máxima s = ~�	� = 118,6m�& 
Tensão Cisalhante Máxima � = ­®5� = 	­� (Seção tubular)= 1,8m�& 
Tensão Equivalente s�¬ = √s	 + 3�	 = 118,6 
Coeficiente de Segurança �w = 2,8 
 
Para pivotagem da torre será utilizado um pino, o qual estará submetido à tensão de 
cisalhamento proveniente da reação neste ponto durante o processo de ascensão da torre. 
Para garantir a segurança do processo, foi calculado o diâmetro necessário para tal com 
um nível de segurança adequado [8]. 
 
Material do pino AISI 1045 repuxado a frio 
Tensão de Ruptura wx� = 630 m�& 
Tensão de Escoamento wy = 530 m�& 
Dureza Brinell 9z = 179 
Reação sobre o pino ( = 65907,1 8 
Diâmetro do pino + = 25 �� 
Área da Seção � = ¥�_[ = 490,9 ��	 
Tensão de Cisalhamento � = °� = 134,3 m�& 
Coeficiente de Segurança �w = �,���±²³ = 2,3 
 
 
 
54 
 
5.13. Cilindro Hidráulico 
 
O acesso aos componentes internos da nacele do aerogerador será feito por meio de 
um cilindro hidráulico selecionado de maneira a suportar os esforços de elevação da torre 
até sua posição vertical. 
A norma ISO 6020-2-1991 estabelece as dimensões padronizadas dos cilindros 
hidráulicos. A seleção do cilindro se dá de maneira a verificar se a carga mínima 
necessária para içar a torre é oferecida e se seu curso é suficiente para conclusão do 
processo. 
O modelo de cilindro da Eurohidraulics EH44MP1, com pistão de camisa tamanho 
100, e diâmetro de haste de 45 mm, conta com pressão máxima de trabalho de 160 bar – 
Anexo XI. Dessa maneira, podemos calcular a carga oferecida e comparar com a 
necessária. 
 
 
Figura 27 – Detalhe do Pivotamento da torre. 
55 
 
 
� � 200 �� 
z = 500 �� 
� = 410 �� 
(BCç& �FCeMN&E LFNFooáCM& �&C& FEF�&C & eBCCF = (� = 72944,8 8 
(BCç& LFNFooáCM& L& +MCFçãB +B NMEML+CB = (� (�cos ]tan�� h���¶ ia = 79117,4 8 
(BCç& �ápM�& +B NMEML+CB = (� = 160 �&C . U. #100 ��$²4 = 125664 8 
�B��CM�FLeB �ápM�B LFNFooáCMB = A~á� = z + �sin ]tan�� h¶¸�� ia = 931,7 �� �OCoB �ápM�B B¹FCFNM+B �FEB NMEML+CB = Au = 2000 �� 
Uma vez que verifica-se que o cilindro hidráulico atende os requisitos do projeto, 
gerando a força necessária e contando com curso adequado para desempenhar a elevação 
da torre, sua seleção é considerada satisfatória. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
56 
 
6. Conclusão 
 
O projeto foi desenvolvido de maneira a simplificar e reduzir custos de fabricação 
e montagem do aerogerador, de maneira que se buscou selecionar componentes de fácil 
aquisição e boa disponibilidade no mercado. 
Tendo em mente o objetivo de tornar a etapa construtiva do aerogerador o mais 
simples possível, optou-se por utilizar um sistema de elevação da torre composto por 
cilindro hidráulico. Esta opção permite que os componentes do aerogerador possam sem 
fixados em solo, facilitando também a manutenção da máquina. 
Levando em consideração o atual momento em que vivemos, onde a fonte eólica de 
geração de energia tem sua participação cada vez mais representativa na matriz energética 
brasileira, verifica-se a relevância do tema proposto para este projeto. 
A contribuição da realização deste projeto em minha formação acadêmica vai desde 
a aplicação de conhecimentos adquiridos durante o curso de graduação até a capacidade 
de trabalhar em equipe, dialogando com o orientador e com profissionais atuantes da área.
57 
 
7. Referências Bibliográficas 
 
[1] http://www.greenenergyohio.org/, Acesso em março de 2016 
[2] http://www.whirlopedia.com/, Acesso em março de 2016 
[3] http://www.portalabeeolica.org.br/, Acesso em março de 2016 
[4]http://www.epe.gov.br/, Acesso em março de 2016 
[5] Manwell, J, F., McGowan, J, G., Rogers, L, A., et. al., "WIND ENERGY 
EXPLAINED theory design and application" – 2009 
[6] Sorensen, T.,Nielsen, P., Grotzner, A., Chun, S., "Introduction to Wind Turbine 
Wake Modelling and Wake Generated Turbulance" - 2011 
[7] Burton, T., Jenkins, N., Sharpe, D., e Bossanyi, E., "Wind Energy Handbook" - 
2011 
[8] Shigley, Joseph E., Mischke, Charles R., Budynas, Richard G., "Projeto de 
Engenharia Mecânica, 7ª e.," - 2005 
[9] SKF, www.skf.com/br/, Acesso em março de 2016 
58 
 
Anexo I – Porca de Segurança KMFE 6 
 
59 
 
Anexo II – Freio Mayr ROBA-STOP 100/891 
 
 
 
60 
 
61 
 
Anexo III – Multiplicador WEG C51217 
 
 
 
62 
 
Anexo IV – Gerador WEG Premium 
 
 
63 
 
Anexo V – Inversor 
 
64 
 
Anexo VI – Rolamento SKF 22208 EK 
 
65 
 
Anexo VII – Mancal SKF SE 508 
 
66 
 
Anexo VIII – Acoplamento ROBA-ES 28/940 
 
 
67 
 
Anexo IX – Dimensões padrão de tubos de aço 
 
68 
 
Anexo X – Padrão de Flanges 
 
69 
 
Anexo XI – Cilindro Hidráulico – Camisa 100 Eurohidraulics 
 
 
70 
 
 
Ruan Arthur M. S. Teixeira Projeto Final - Aerogerador
Prof. Flávio de Marco Filho A1Arranjo Geral do Aerogerador
Escala 1/25 Folha 1 de 3Universidade Federal do Rio de Janeiro
Perspectiva do Aerogerador
Escala 1/8
1076.50
1
2
0
0
0
Ø2000
Ruan Arthur M. S. Teixeira Projeto Final - Aerogerador
Prof. Flávio de Marco Filho A1Componentes da Nacele
Escala 1/2 Folha 2 de 3Universidade Federal do Rio de Janeiro
LISTA DE PEÇAS
QuantidadeItemNúmero
1Eixo1
1Bosso2
3Pá3
2Rolamento SKF 22208 EK / Mancal SKF SE 5084
1Suporte do Freio5
1Freio Mayr ROBA-Stop 100/8916
1Acoplamento ROBA-Stop 100/8917
1Multiplicador WEG C512178
1Gerador WEG W22 Premium 4 polos9
1Carcaça Superior da Nacele10
1Carcaça Inferior da Nacele11
1Base da Nacele12
1Tubo da Torre13
1Porca de Segurança KMFE 614
Perspectiva da Nacele
Escala 1/8
1
2
3
98
4
6
5
7
12
10
13
14
11
Ruan Arthur M. S. Teixeira Projeto Final - Aerogerador
Prof. Fláviode Marco Filho A3Pivotamento da torre
Escala 1/10 Folha 3 de 3Universidade Federal do Rio de Janeiro