Uso do método simplificado de cargas (SLM – IEC 61400-2) e do espectro de cargas de fadiga para estimativa de vida em pás de aerogeradores de pequeno porte

Abstract

A vida útil de pás de aerogeradores empregados para geração de energia elétrica a partir dos ventos está diretamente relacionada com a sua capacidade de resistir à fadiga, pois em condições normais de funcionamento as pás estarão sujeitas a cargas cíclicas em função das variações das velocidades dos ventos e, consequentemente, das solicitações mecânicas. O presente trabalho teve como objetivo estimar o número de ciclos que podem levar a fadiga pás de aerogeradores de pequeno porte, utilizando o Método Simplificado de Cargas (SLM) proposto pela norma IEC 61400-2 e o espectro de cargas de fadiga em função das velocidades dos ventos proposto por Epaarachchi (2002). A metodologia consistiu inicialmente em caracterizar pás construídas em material compósito de poliamida e fibra de vidro em relação à estrutura e propriedades mecânicas (tração, flexão e dureza). Dados de ventos do estado do Rio Grande do Sul coletados no período entre Maio/2009 e Maio/2011 pelo INPE – Projeto SONDA foram compilados aplicando a distribuição probabilística de Weibull.O método proposto por Epaarachchi foi utilizado para determinar o espectro de cargas de fadiga em função dos ventos a que as pás estão submetidas e, assim, estimar o número de ciclos necessários para ocorrer a falha por fadiga. Com os resultados obtidos nos ensaios de tração, flexão e dureza, os dados dos ventos convertidos em termos de solicitações mecânicas e a aplicação da metodologia de estimativa de vida à fadiga, foi possível simular dois cenários diferentes: (a) um considerando condição normal de operação (todo o espectro de ventos) e outro (b) considerando a condição crítica de operação (ventos entre 2 m/s e 5 m/s). Para o cenário em condições normais foi estimado um número de 1.554.832 ciclos até a falha, enquanto no cenário crítico a falha ocorrerá para 996.812 ciclos.

The life of small wind turbine blades applied for electrical energy generation using wind is directly related to its fatigue resistance. Under normal condition operation blades are exposed to cyclic loads as a function of wind velocity variation and, consequently, different mechanical solicitation. The present work aims to estimate the number of cycles inducing fatigue in small wind turbine blades applying the Simple Load Method (SLM) as recommend by IEC 61400-2 standard and the fatigue load spectrum proposed by Epaarachchi (2002). The methodology consisted firstly in characterizing polyamide reinforced fiber glass composite blades in relation to their structures and mechanical properties (tensile strength, bend strength and hardness). Wind data collected in Rio Grande do Sul from May/2009 to May/2011 by INPE – “SONDA Project” were compiled using Weibull’s probabilistic distribution. SLM was applied to convert wind data into load acting on the blades. Epaarachchi’s method was used to determine the fatigue load spectrum as a function of wind velocity and estimate the number of cycles inducing fatigue failure. With results from tensile, bend and hardness tests, wind data converted into mechanical solicitation and the application of life cycle fatigue method, it was possible to estimate two scenarios: (a) Under normal operation (overall wind spectrum) and (b) under critical operation (wind data in the range of 2 m/s to 5 m/s). In the normal scenario the total cycles until the fatigue failure was of 1,554,832 whereas in the critical scenario the failure occurs of 996,812 cycles.