Influência do ângulo de inclinação das pás na geração de torque de turbinas H-Darrieus

Abstract

Com o crescente interesse na energia eólica em ambientes urbanos, as turbinas de eixo vertical ganham destaque devido à sua instalação e manutenção economicamente vantajosas e a sua capacidade de operar em regiões com ventos em constante mudança de direção. No entanto, esses dispositivos ainda enfrentam desafios em relação o seu coeficiente de potência, que é relativamente baixo em comparação com as turbinas de eixo horizontal. Uma das linhas de pesquisa atuais para melhorar o desempenho dessas turbinas é o estudo do ângulo de inclinação de suas pás. O estado da arte aponta uma melhora de até aproximadamente 10% no coeficiente de potência através de alterações do ângulo de inclinação. Esse aumento é atribuído ao atraso na liberação do vórtice de estol dinâmico das pás. No entanto, em turbinas de eixo vertical cada pá produz uma esteira individual. Durante a operação da turbina, a esteira de uma pá interage com outra pá. Essa interação afeta a sua produção de torque, fenômeno este ainda inexplorado na literatura para turbinas de eixo vertical. A presente pesquisa concentra-se na modificação que a variação do ângulo de inclinação causa nas interações entre esteira e pás de uma turbina H-Darrieus, que é feita com perfil aerodinâmico NACA 0022, com uma corda de 0,1 m e uma altura de 0,4 m. Além disso, é analisado como a variação do ângulo de inclinação altera o fenômeno de estol dinâmico nas pás. Para estudar estes fenômenos, foram feitas análises numéricas do tipo URANS, utilizando o modelo de turbulência 𝜅 − 𝜔 SST. Além disso, o estudo incorpora abordagens teóricas com base em dados de forças aerodinâmicas obtidos através do método dos painéis. As análises foram realizadas abrangendo configurações que incluem tanto três pás quanto uma única pá. Estas múltiplas configurações permitem avaliar as diferenças entre a passagem de pá com e sem a interação de esteiras. A análise da interação entre esteiras permite concluir que a alteração do ângulo de inclinação causa um aumento na incidência do fenômeno de separação da camada limite e desloca o vórtice que se desprende das pás, mudando a forma com que o mesmo impacta a pá passando pela jusante. Aplicando essas descobertas durante um estudo do ângulo de inclinação da turbina, a presente pesquisa revela que a modificação do ângulo de inclinação para -5° ocasiona um aumento de 22% no coeficiente de potência da turbina, 12% acima do reportado pela literatura.