A DETERMINISTIC AND STOCHASTIC ANALYSIS OF WIND TURBINES

• Main Author: JOAO ANTONIO PIRES ALVES
• Other Authors: RUBENS SAMPAIO FILHO
• Language: English
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2016
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=29870@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=29870@2

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO === COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR === PROGRAMA DE EXCELENCIA ACADEMICA === Este trabalho apresenta uma análise dinâmica de uma turbina eólica com torre tubular e com rotor de três pás sob carregamentos determinísticos e estocásticos, concentrados e distribuídos, dentre eles os provocados pelo vento e por correntes marinhas. Variações nas condições do solo são permitidas sendo simuladas como molas axiais e torcionais lineares instaladas na base da torre. Os carregamentos aleatórios são devidos à ação do vento sobre as pás da turbina. As simetrias envolvidas permitem que a torre seja modelada como quatro elementos estruturais distintos e superpostos: uma viga com movimento espacial (dois movimentos laterais independentes), um eixo (movimento de torção) e uma barra (movimento axial). Elementos finitos são utilizados para a aproximação da dinâmica da torre, sendo então construído um modelo reduzido, utilizando uma base de dimensão finita com autovetores da estrutura. Os demais componentes da turbina, nacele, eixo e pás são modelados como corpos rígidos. Todos os componentes são agrupados e para modelar seus vínculos são impostas equações de restrição. Um algoritmo baseado no método de Newmark foi desenvolvido para integrar o sistema de equações no tempo. Velocidades, acelerações, forças e torques são obtidos para diversas configurações. === This thesis presents a dynamic analysis of a three-blade wind turbine with tubular cross section under deterministic and stochastic concentrated and distributed loads including those caused by wind and by sea currents. Variations in soil conditions are allowed, being modeled as linear axial and torsional springs installed at the base of the tower. The random loading is due to the action of the wind on the turbine blades. The symmetries involved allow the tower to be modeled as having four separated and superimposed structural behaviors: a beaming spatial (lateral motion), a shaft (torsional) motion and a bar (axial) motion. Finite elements are used for approximating the dynamic of the tower and then a reduced model is constructed using a basis of finite dimension of the structure eigenvectors. The other turbine components, namely, the nacelle, the shaft and the blades are modeled as rigid bodies whose links are imposed by constraints functions. An algorithm based on Newmark method was developed to integrate the system of equations in time. Velocities, accelerations, forces and torques as well as the resulting stresses are obtained for several configurations.