DOC 20161212 WA0007

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PROJETO MECÂNICO DE UM AEROGERADOR DE EIXO VERTICAL PARA 
MICROGERAÇÃO EM AMBIENTES URBANOS 
 
Luiza Pinheiro de Macedo 
 
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 
 
 
 
 
 
 
Rio de Janeiro 
Março de 2015 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO 
Departamento de Engenharia Mecânica 
DEM/POLI/UFRJ 
 
 
PROJETO MECÂNICO DE UM AEROGERADOR DE EIXO VERTICAL PARA 
MICROGERAÇÃO EM AMBIENTES URBANOS 
 
Luiza Pinheiro de Macedo 
 
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE 
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE 
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS 
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. 
 
 
Aprovado por: 
 
 
 
________________________________________________ 
Prof. Flávio de Marco Filho, Dr.Ing. 
 
 
________________________________________________ 
Prof. ??; Dr.Ing. 
 
 
________________________________________________ 
Prof. ??; Dr.Ing 
 
 
 
 
 
 
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL 
MARÇO DE 2015
i 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Macedo, Luiza Pinheiro 
Projeto Mecânico de um aerogerador de Eixo Vertical para 
Microgeração em Ambientes Urbanos/ Luiza Pinheiro de Macedo. – 
Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2015. 
 VI, 42 p.: il.; 29,7 cm. 
 Orientador: Flávio de Marco Filho 
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Departamento 
de Engenharia Mecânica, 2015. 
Referências Bibliográficas: p. 16. 
1.Turbina Eólica. 2. Aerogerador. 3. Protótipo. 4. Energia Eólica. 
I. Filho, Flávio de Marco. II. Universidade Federal do 
Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia 
Mecânica. III. Projeto de um protótipo de uma turbina 
eólica de eixo horizontal. 
ii 
 
Agradecimentos 
 
Primeiramente gostaria de agradecer à minha mãe, Regina Lucia Macedo, e a minha 
irmã, Vivian Macedo, que me apoiaram durante todo o curso, principalmente nessa reta 
final. 
Gostaria de agradecer meus amigos da faculdade que me motivaram e me ajudaram 
durante todos esses anos. Em especial Adriano Tebaldi, Larissa Lima, Hayana Marques, 
Fernando Toledo e Daniel Giansante, que sempre acreditaram em mim e me ajudaram 
nos momentos mais difíceis. E também aos amigos da Technip que me ajudaram e 
opinaram em todo o projeto. 
Agradeço ao meu orientador, Flávio de Marco Filho, que sempre esteve disposto a me 
receber e tirar as dúvidas que surgiram ao longo do projeto. Gostaria de agradecer também 
aos professores da mecânica que me acompanharam durante esses anos. 
 Ao Luiz César e a Sílvia Azevedo da Enersud que me forneceram conhecimento 
e materiais essenciais para que esse projeto fosse realizado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
iii 
 
Resumo do projeto de graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos 
necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. 
 
 
PROJETO MECÂNICO DE UM AEROGERADOR DE EIXO VERTICAL PARA 
MICROGERAÇÃO EM AMBIENTES URBANOS 
 
Luiza Pinheiro de Macedo 
 
Março/2015 
 
Orientador: Flávio de Marco Filho 
 
Curso: Engenharia Mecânica 
 
O trabalho apresenta o dimensionamento e os desenhos dos componentes mecânicos 
de uma turbina eólica de eixo vertical para uso em ambientes urbanos, de geração de 
potência suficiente para uma residência de médio porte nos meses de maiores demandas 
do ano. Os cálculos consideram vento com velocidade constante e horas limitadas de 
funcionamento. 
 A escolha da orientação do eixo de rotação da turbina foi devido ao fato de que 
em ambientes urbanos o vento é turbulento e com grandes variações de direção, e 
acredita-se que nesses casos a turbina de eixo vertical possui uma melhor eficiência. 
 
Palavras chave: Energia eólica, Aerogerador, Turbina eólica, eixo vertical. 
 
 
 
 
 
 
iv 
 
Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of fulfillment of the 
requirements for the degree of Engineer. 
 
MECHANICAL PROJECT OF A VERTICAL AXIS WIND TURBINE FOR 
MICROGENERATION FOR URBAN ENVIRONMENT 
 
 
Luiza Pinheiro de Macedo 
 
March/2015 
 
Advisor: Flávio de Marco Filho 
 
Course: Mechanical Engineering 
 
The paper presents the design and drawings of the mechanical components of a 
vertical axis wind turbine for use in urban environments, sufficient power generation for 
a medium-sized house in the months of highest demands of the year. The calculations 
include a constant wind speed and limited working hours. 
The choice of the orientation of the axis of rotation of the turbine is due to the fact 
that in urban environments wind is turbulent, with large variations of direction, and it is 
believed that in these cases the vertical axis turbine has improved efficiency. 
 
Keywords: Wind energy, Wind Turbine, vertical axis. 
 
v 
 
Sumário 
1. INTRODUÇÃO................................................................................................................. 1 
1.1. Cenário Energético Atual ----------------------------------------------------------------------------- 1 
1.2. Histórico -------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 
2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DAS TURBINAS EÓLICAS ........................... 5 
2.2. Diferentes características das turbinas verticais e horizontais --------------------------------- 6 
2.3. Motivos para a escolha da VAWT ------------------------------------------------------------------ 7 
3. PROJETO E DIMENSIONAMENTO ........................................................................ 8 
3.1. Considerações Iniciais para o Dimensionamento ------------------------------------------------ 8 
3.2. Rotor ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 8 
3.2.1. Forças Aerodinâmicas --------------------------------------------------------------------------------- 9 
3.3. Eixo de rotação ----------------------------------------------------------------------------------------- 11 
3.4. Parafuso de ligação eixo-alternador ---------------------------------------------------------------- 16 
3.5. Seleção de Rolamentos ------------------------------------------------------------------------------- 16 
3.6. Seleção de Freio---------------------------------------------------------------------------------------- 17 
4. CONCLUSÃO ................................................................................................................ 19 
5. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................... 20 
APÊNDICE I – DESENHOS TÉCNICOS ...................................................................... 21 
APÊNDICE II – COMPONENTES COMERCIAIS .................................................... 36 
 
 
 
 
 
vi 
 
 
ÍNDICE DAS FIGURAS 
 
Figura 01 – Estudo de Capacidade de Energia Eólica Instalada de 2013 até 2050 ......... 2 
Figura 02 – Variação da Matriz Energética Brasileira de 2012 para 2014 .......................2 
Figura 03 – Evolução Mundial da capacidade eólico-elétrica instalada em GW..............4 
Figura 04 – Aerogeradores de Eixo Horizontal e de Eixo Vertical ..................................5 
Figura 05 – Aerogeradoresde Eixo Vertical – Diferentes tipos de pá .............................6 
Figura 06 – Forças aplicadas ao longo de uma rotação numa VAWT .............................9 
Figura 07 – Eixo .............................................................................................................11 
Figura 08 – Gráfico sensibilidade ao entalhe pelo raio do entalhe .................................13 
Figura 09 – Gráfico de r/d por Kt ...................................................................................14 
Figura 10 – Especificações do Freio ...............................................................................37 
Figura 11 – Dados Técnicos do Freio .............................................................................38 
Figura 12 – Especificações do Rolamento B ..................................................................39 
Figura 13 – Especificações do Rolamento A ..................................................................39 
Figura 14 – Especificações do Alternador ......................................................................40 
Figura 15 – Desenho de Referência do Alternador ........................................................41 
Figura 16 – Catálogo de Tubos ......................................................................................42 
 
LISTA DE ABREVIATURAS 
HAWT – Horizontal Axis Wind Turbine 
VAWT – Vertical Axis Wind Turbine 
1 
 
 
1. Introdução 
 
1.1. Objetivo 
 
Este trabalho tem como objetivo projetar um aerogerador de pequeno porte voltado 
para microgeração em áreas urbanas. O aerogerador seria focado para funcionamento 
em pequenas áreas de pouca utilização nas cidades, tais como, no topo de residências e 
edifícios. Visando uma proximidade do consumidor, reduzindo as perdas de transporte 
pela linha. 
 
 
1.2. Cenário Energético Atual 
 
O grande avanço da energia solar e eólica nos trouxe a um ponto que prova que está 
em nosso alcance um futuro energeticamente sustentável. Essa mudança já vem sendo 
adotada por vários países. 
Durante muitos anos, a matriz energética mundial era baseada em usinas 
termoelétricas que utilizavam carvão ou óleo como fontes primárias. Mas com o aumento 
do preço do petróleo, o custo da energia aumentou e os países importadores começaram 
a mudar o panorama de suas matrizes energéticas e iniciaram a pesquisa de outras fontes 
para substituir as usuais, e que fossem menos agressivas ao ambiente. 
 Atualmente o setor energético responde por 40% das emissões de CO2 na atmosfera. 
Para mudar esse cenário, precisamos aumentar a eficiência energética dos métodos mais 
utilizados para geração elétrica, diminuir a utilização de termoelétricas e se possível 
mudar seu combustível para o gás natural. Além disso, continuar investindo em energia 
renovável. (1) 
Um estudo desenvolvido pelo Global Wind Energy Council com o Greenpeace 
International e o German Aerospace Centre prevê a capacidade instalada de geração 
eólica mundial até o ano de 2050, em diferentes cenários políticos de incentivo. Em um 
cenário moderado, que considera a manutenção do incentivo atualmente empregado, em 
2050 teremos um aumento de 646% da capacidade instalada em 2015. O cenário 
2 
 
avançado é mais ambicioso, considerando o melhor crescimento possível para a geração 
eólica, resultando em um aumento de 961%.(1) 
 
 
 
Figura 01 – Estudo de Capacidade de Energia Eólica Instalada de 2013 até 2050 
Fonte: Global Wind Energy Outlook 2014 
 
 No Brasil, por ter abundância de recursos hídricos, para aumentar sua capacidade 
geradora investiu muito em usinas hidrelétricas. Porém, eventualmente passamos por 
fortes crises hídricas, o que serve como incentivo para investir em outras formas de 
geração de energia. Pois o acionamento das termoelétricas aumenta o custo de geração. 
 
 
Figura 02 – Variação da Matriz Energética Brasileira de 2012 para 2014 
3 
 
Fonte: ONS e MCTI – relatório de fator médio mensal 
 
Com a queda da geração hídrica, é possível verificar um pequeno aumento na fatia 
de geração por parte dos ventos. A expectativa é com o volume dos reservatórios cada 
vez mais baixos, incentive o investimento nas energias renováveis, principalmente 
energia solar e eólica. 
O país como um todo, não possui ventos incidentes ideais para geração eólica em 
larga escala. Existem certas regiões que são apropriadas, como a Zona Litorânea Norte-
Nordeste, que se estende do extremo norte do Amapá até o Rio Grande do Norte, em que 
os ventos conseguem atingir a velocidade de 9 m/s. (2) 
 
 
1.3. Histórico 
 
A energia proveniente dos ventos é utilizada há séculos pela humanidade, 
principalmente em projetos de irrigação e moagem de grãos. Porém muitos anos se 
passaram até que começassem a usar esse mecanismo para geração elétrica. 
No século XIX, os países que estavam na liderança do desenvolvimento eólico 
eram os EUA e a Dinamarca. Cientistas destes países trabalhavam essencialmente em 
máquinas de eixo horizontal. Além destes países, a antiga União Soviética, França e 
Alemanha também tinham cientistas trabalhando em máquinas de eixo horizontal e que 
tinham a capacidade de geração de até 1MW. (3) 
Apesar destes desenvolvimentos, o assunto de geração eólica somente ganhou 
força após o aumento substancial do preço do petróleo no ano de 1973. A partir deste 
momento países como EUA, Alemanha, Inglaterra e Suécia despontaram como principais 
desenvolvedores de novas turbinas capazes de produzir cada vez mais eletricidade. Os 
estudos eram financiados, em sua grande maioria, por instituições governamentais. (3) 
 
4 
 
 
Figura 03 – Evolução Mundial da capacidade eólico-elétrica instalada em GW 
Fonte: Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, 2001 
 
A primeira turbina eólica de eixo vertical (VAWT), foi feita em 1888 pelo norte 
americano Charles Brush. Em 1922, Sigurd Johannes Savonius apresentou a turbina de 
eixo vertical de simples funcionamento que recebeu o nome de Savonius. Nove anos 
depois, em 1931, George Darrieus patenteou dois modelos de VAWT, a Darrieus e a 
Giromill. (3) 
 
 
5 
 
 
2. Características Básicas das Turbinas Eólicas 
 
2.1. Classificação dos aerogeradores 
Os aerogeradores podem ser classificados pela potência gerada, forma 
construtiva e pelos tipos de pá. 
 Quanto a potência gerada, podem ser classificados em: 
 Pequeno porte – até 50 kW de potência 
 Médio porte – de 50 kW até 1MW de potência 
 Grande porte – acima de 1 MW de potência 
 
Em relação à forma construtiva: 
 Turbinas de eixo horizontal (HAWT) – Figura 4.1 
 Turbinas de eixo vertical (VAWT) – Figura 4.2 
 
 
Figura 04 – Aerogeradores de Eixo Horizontal e de Eixo Vertical 
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine 
 
E entre as turbinas de eixo vertical, podemos classifica-las pelos tipos de 
pá: 
 Pás de arrasto – Se movem pela força de arrasto causada pelo 
fluxo de ar em sua superfície. 
1 2 
6 
 
 Pás de sustentação – Possuem um perfil aerodinâmico e com a 
passagem do ar causa o aparecimento de uma força de 
sustentação perpendicular ao fluxo de ar gerando movimento. 
 
O rotor Savonius (figura 5.1) é um exemplo de rotor com pás de 
arrasto e o Darrieus (figura 5.2) um rotor com pás de sustentação. 
 
 
Figura 05 – Aerogeradores de Eixo Vertical – Diferentes tipos de pá 
Fonte: alvaro.lima.vieira.50megs.com 
 
O foco desse projeto é um aerogerador de eixo vertical com pás do tipo 
H-Darrieus (figura 5.3) de pequeno porte. 
 
2.2. Diferentes características das turbinas verticais e horizontais 
 
Vários aspectos diferenciam os aerogeradores horizontaisdos verticais, 
além da direção do eixo de rotação. 
As vantagens apresentadas pela VAWT em relação à HAWT são que seus 
componentes mecânicos se encontram em um nível próximo ao chão, facilitando 
o acesso e consequentemente a manutenção; ela não depende da direção do vento 
para funcionar; e caso seja utilizado um gerador de baixa rotação em uma VAWT, 
1 2 3 
7 
 
não é necessária transmissão e pode-se fazer um acoplamento direto do eixo com 
o gerador. Além disso, a construção de uma turbina de eixo vertical é mais barata 
que a de eixo horizontal, pois na horizontal toda a carga está localizada na parte 
superior, exigindo uma torre muito mais robusta. [4) 
As turbinas de eixo horizontal geram maior potência e são mais eficientes, 
porém elas exigem uma torre mais alta já que precisam de ventos laminares para 
seu funcionamento e também necessitam estar alinhadas com o mesmo. O 
material da torre da HAWT sofre menos com fadiga, por causa do escoamento 
permanente para o mesmo ângulo de ataque. [4) 
Há estudos para comprovar que a diferença de potência entre os dois 
modelos de turbina não é muito discrepante, pois a HAWT faz pequenas paradas 
para se alinhar com o vento incidente, o que não acontece na VAWT. 
 
2.3. Motivos para a escolha da VAWT 
 
O motivo principal para a escolha de utilizar uma turbina vertical e não a 
turbina horizontal deve-se ao lugar escolhido para gerar a energia. 
A VAWT necessita de menos espaço para seu funcionamento e é capaz de 
gerar energia com ventos turbulentos vindos de várias direções, o que possibilita 
a sua utilização em ambientes urbanos. A instalação no topo de edifícios e 
residências faz o aproveitamento de um espaço pouco utilizado, e a aproximação 
da geração com o consumo evita perdas inerentes ao transporte da energia elétrica 
na rede, que hoje é estimada em 7,5%. [5] A rotação mais lenta de uma turbina 
vertical faz com que ela seja mais silenciosa, portanto não causaria problemas 
nesses ambientes povoados. 
Assim, uma forma de geração limpa e perto da civilização é uma solução 
em potencial para a alta demanda energética dos grandes centros. 
 
 
8 
 
 
 
3. Projeto e Dimensionamento 
 
3.1. Considerações Iniciais para o Dimensionamento 
 
Para dar início ao projeto, definimos algumas premissas para simplificação. Os ventos 
incidentes estão em regime laminar e possuem velocidade constante e igual a 8 m/s. As 
turbinas são projetadas para serem instaladas em cima de prédios e residências. 
Além do rendimento da turbina, conhecido também como Limite de Betz, definido 
com o valor de 40%. 
 
3.2. Rotor 
 
Iniciando os cálculos aerodinâmicos da turbina, definimos o valor da tip speed 
ratio (TSR) que depende do modelo da mesma. Para o nosso modelo, uma H-
Darrieus, é recomendado um valor de TRS igual à 4. [4] 
Com o TSR definido, calculamos através da formula (1) o valor de ωr. 
𝜆 =
𝜔𝑟
𝑉∞
 (1) 
 Visando um acoplamento direto do eixo com o alternador de baixa rotação para 
redução os custos de fabricação, foi fixado o valor desejado de ω em 100 RPM. 
Resultando em um diâmetro de 3,5 m. 
 Por motivos estruturais, foi definida uma altura de 4 m para as pás. Assim, a área 
de varredura do ar da VAWT é de 14 m². Já levando em consideração o Limite de 
Betz, a potência teórica gerada pela turbina é de 1634,3 W. 
 Para o dimensionamento das pás, foi utilizada a fórmula (2) para se obter o valor 
da corda. 
𝜎 =
(𝑁∗𝑐)
𝐷
 (2) 
Sendo N igual ao número de pás, σ a solidez da turbina. O valor adotado para σ foi de 
0,15, e ele está diretamente relacionado ao nosso valor da TSR. Usaremos 3 pás no 
nosso rotor, pois há experimentos que provam que utilizar um número maior que esse 
9 
 
de pás não aumenta o rendimento da turbina o suficiente para compensar o aumento 
de custo de construir mais pás. [4] Resultando em pás com a corda de 0,175 m. 
 O perfil escolhido para o rotor foi o NACA 0012 por ser um perfil simétrico e 
ótimo para esse tipo de aplicação. 
 
3.2.1. Forças Aerodinâmicas 
 
A velocidade relativa do ar em relação às pás não é constante durante o giro do 
rotor. Podemos obter as velocidades tangencial e normal com as equações (3) e (4). 
𝑉𝑡 = 𝑟𝜔 + 𝑉∞cos⁡(𝜃) (3) 
𝑉𝑛 = 𝑉∞𝑠𝑒𝑛(𝜃) (4) 
sendo: 
 𝑉𝑡 = velocidade tangencial do rotor em m/s 
 𝑉𝑛 = velocidade normal do rotor em m/s 
 θ = ângulo de posição da pá no rotor 
 
 
Figura 06 – Forças aplicadas ao longo de uma rotação numa VAWT 
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Vertical_axis_wind_turbine 
 
Como a velocidade relativa não é constante, o ângulo de ataque α também varia 
ao longo dos 360°. Calculamos esse ângulo com a fórmula (5). 
10 
 
𝛼 = 𝑡𝑎𝑛−1(
𝑉𝑛
𝑉𝑡
) (5) 
 
 
Calculado o número de Reynolds, obtemos os valores dos coeficientes de 
sustentação (𝐶𝐿) e de arrasto (𝐶𝐷) para calcular os valores dos coeficientes da força 
tangencial e da força normal. 
𝐶𝑡 = 𝐶𝐿𝑠𝑒𝑛(𝛼) − 𝐶𝐷 cos(𝛼) (6) 
𝐶𝑛 = 𝐶𝐿cos⁡(𝛼) +⁡𝐶𝐷⁡𝑠𝑒𝑛(𝛼) (7) 
Sendo: 
𝐶𝑡⁡= coeficiente de força tangencial 
𝐶𝑛= coeficiente de força normal 
 
 A força resultante tangencial é dada pela equação (8). 
𝐹𝑡 = 𝐶𝑡.
1
2
. 𝜌. 𝑐. ℎ. 𝑤2 (8) 
 
Sendo que: 
𝑤 =⁡√𝑉𝑡
2 + 𝑉𝑛
2 (9) 
 E a força resultante normal é: 
𝐹𝑛 = 𝐶𝑛.
1
2
. 𝜌. 𝑐. ℎ. 𝑤2 (10) 
 
 A força normal causará a flexão do eixo de rotação, e sua intensidade é de 30 N. 
A resultante tangencial multiplicada pelo raio do rotor da turbina resulta no torque 
sofrido pela mesma, e tem um valor de 28038 Nmm. 
 Os dados utilizados e obtidos nos cálculos são: 
 
 
 
 
 
 
 
11 
 
V∞ 8 m/s 
P 1634,3 W 
D 3,5 m 
L 4 m 
N 3 
σ 0,15 
c 0,175 m 
 
Tabela 01 – Resumo dados obtidos 
 
3.3. Eixo de rotação 
 
Para o dimensionamento do eixo de rotação principal, calculamos as forças 
atuantes na seção anterior. Através de um diagrama de corpo livre usando o equilíbrio, 
foi possível definir os valores das reações nos rolamentos. Após os cálculos de 
momento fletor ao longo do eixo, é identificada a seção mais solicitada, que é na 
posição do rolamento superior (Apoio B). [6] 
 
Figura 07 – Eixo 
 
B 
A 
12 
 
O material escolhido para construção do eixo foi o Aço AISI 4340, laminado e 
recozido. 
 O eixo foi dimensionado em função da fadiga dessa seção mais solicitada. Para os 
cálculos de resistência à fadiga, definimos seis coeficientes. [7] 
 𝐾𝑎⁡– Fator de Superfície
[7] 
𝐾𝑎 = 𝑎 ∗ 𝑆𝑢
𝑏
 (11) 
Sendo: 
𝑆𝑢 = Resistência à tração mínima do material 
 Os valores de a e b são tabelados e dependem da qualidade do acabamento da 
superfície do eixo. 
 
 𝐾𝑏 – Fator de Tamanho 
[7] 
O valor de 𝐾𝑏 depende somente do diâmetro da seção mais solicitada. É definido 
pela fórmula (12). 
𝐾𝑏 = 1,51 ∗ 𝑑
−0,157 (12) 
 
 𝐾𝑐 – Fator de Carregamento 
[7] 
O fator de carregamento ele é fixo para cada tipo de carga que o elemento 
analisado sofre. O eixo projetado sofre flexão, torção e compressão. Porém, o valor de 𝐾𝑐 
para torção é o mais conservador, por isso ele foi utilizado. 
𝐾𝑐 = 0,59 (13) 
 
 𝐾𝑑 – Fator de Temperatura 
[7] 
Consideraremos o valor de 𝐾𝑑 referente à uma temperatura de 30°C, 
aproximadamente a temperatura ambiente. 
𝐾𝑑 = 1,0 (14) 
 
 𝐾𝑒 – Fator de Confiabilidade 
[7] 
Foi considerada uma confiabilidade de 95%. 
𝐾𝑒 = 0,868 (15) 
 
 𝐾𝑓 – Fator de Concentração de Fadiga 
[7] 
O fator de concentração de fadiga é dado pela fórmula (16). 
13 
 
𝐾𝑓 = 1 + 𝑞(𝐾𝑡− 1) (16) 
Sendo: 
𝑞 = sensibilidade ao entalhe 
𝐾𝑡 = fator de concentração de tensão de fadiga 
 
 O valor de q é dado através do gráfico raio de entalhe pela sensibilidade ao entalhe. 
 
 
Figura 08 – Gráfico sensibilidade ao entalhe pelo raio do entalhe 
Fonte: Elementos de Maquinas de Shigley, 8 ed. 
 
 
Para calcularmos o 𝐾𝑡, é preciso primeiro calcular as razões: 
𝐷
𝑑
 (17) 
𝑟
𝑑
 (18) 
Depois, usando esses dois valores, tiramos do gráfico a seguir o valor de 𝐾𝑡. 
14 
 
 
Figura 09 – Gráfico de r/d por Kt 
Fonte: Elementos de Maquinas de Shigley, 8 ed. 
 
Depois de todos os coeficientes calculados, eles serão utilizados para calcular o 
valor do limite de resistência à fadiga no local crítico, que é dada por: 
𝑆𝑒 =⁡𝐾𝑎𝐾𝑏𝐾𝑐𝐾𝑑𝐾𝑒𝐾𝑓𝑆𝑒
′ (19) 
O 𝑆𝑒
′ é o limite de resistência a fadiga de corpo de prova de teste da viga rotativa 
e o valor considerado foi a metade do 𝑆𝑢 do material. 
 
O fator de segurança à fadiga no eixo da turbina eólica vertical projetada será 
calculado pelo Critério de Soderberg. Para isso, primeiro precisamos identificar as 
tensões provocadas pelas cargas. O eixo está submetido à flexão, cisalhamento e 
torção. 
 A tensão de flexão é dada por, [8] 
𝜎 =
𝑀𝑟
𝐼
 (20) 
 
Sendo: 
𝑀 – Momento fletor máximo 
𝑟 – Raio da seção 
𝐼 – Momento de inércia 
15 
 
 
E a tensão de cisalhamento para um eixo de seção circular pode ser calculado 
através da formula: 
𝜏 =
4𝑉
3𝜋𝑟2
 (21) 
Sendo: 
𝑉 – Esforço Cortante 
 
A tensão devido à torção é: [8] 
𝜏 =
𝑇𝑟
𝐽
 (22) 
Sendo o 𝐽 obtido por: 
𝐽 =
𝜋𝑑4
32
 (23) 
 
 Com a tensão equivalente de Von Mises, definimos os valores de 𝜎𝑚e 𝜎𝑎. 
𝜎𝑒𝑞 = √𝜎𝑥2 + 𝜎𝑦2 − 𝜎𝑥𝜎𝑦 + 3𝜏𝑥𝑦2 (24) 
𝜎𝑚 =
𝜎𝑚𝑎𝑥+𝜎𝑚𝑖𝑛
2
 (25) 
𝜎𝑎 =
|𝜎𝑚𝑎𝑥−𝜎𝑚𝑖𝑛|
2
 (26) 
 As forças atuantes são todas alternantes, por isso 𝜎𝑚é nula. Agora com todos os 
valores já calculados, pelo Critério de Soderberg é dado o fator de segurança à fadiga do 
eixo. 
𝜎𝑎
𝑆𝑒
+
𝜎𝑚
𝑆𝑦
=
1
𝑛
 (27) 
 
 Para o eixo projetado com diâmetro na seção mais solicitada de 25mm, foi 
calculado um fator de segurança 𝑛 = 10. 
 Porém, como o eixo sofre também compressão devido ao peso do rotor aplicado 
na extremidade superior, é necessário analisar se ocorre flambagem. 
 Todos os componentes do rotor juntos fazem uma força de 1055N na ponta do 
eixo. Como os suportes do rotor são equidistantes, consideraremos a força centralizada. 
A ponta é livre, então: 
𝐶 =
1
4
 (28) 
Com a fórmula (29), definimos o valor do diâmetro mínimo necessário para aguentar 
o peso dos componentes. 
16 
 
𝑑 = √
64𝑛𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡𝑙
2
𝜋3𝐶𝐸
4
 (29) 
 Utilizando um fator de segurança 𝑛 = 3 e o 𝑙 é a distância entre a ponta e o 
rolamento mais alto, 𝑙 = 0,66𝑚, é calculado um diâmetro mínimo de 15,6 mm. Como o 
diâmetro mínimo é menor que o escolhido, não ocorre a flambagem no eixo. 
 
3.4. Parafuso de ligação eixo-alternador 
 
O torque produzido pela passagem do vento no rotor é transferido do eixo de rotação 
para o eixo do alternador de baixa rotação, onde é transformado em energia elétrica. Foi 
escolhido um alternador comercial, e sua transmissão de torque é realizada por dois pinos 
de 25 mm de diâmetro. 
Usando como pino dois parafusos M24 de grau 1 para transmissão do torque, obtemos 
um fator de segurança de muito além do necessário para suportar essa carga. Concluindo 
assim que podemos usá-los para essa função. 
 
3.5. Seleção de Rolamentos 
 
No conjunto mecânico, está prevista a utilização de dois rolamentos. Foram utilizados 
modelos de rolos cônicos devido à presença de cargas axiais causadas pelo peso do rotor 
no eixo. 
As forças normais que atuam no rolamento já foram calculadas antes, mas a força 
axial presente em um dos rolamentos é dada pelas formulas, 
𝐹𝑎𝐵 =
0,5𝐹𝑟𝐵
𝑌𝐵
 (30) 
𝐹𝑎𝐴 = 𝐹𝑎𝐵+𝐹𝑎 (31) 
 
Sendo: 
𝐹𝑎𝐵 = Força axial no rolamento B 
𝐹𝑟𝐵 = Força radial no rolamento B 
𝐹𝑎𝐴 = Força axial no rolamento A 
 
Depois de obtidas essas forças, é possível calcular a pressão atuante em cada 
rolamento. 
17 
 
𝑃 = 0,4 ∗ 𝐹𝑟 + 𝑌𝐹𝑎 (32) 
 
Sendo: 
𝑌 = Fator de carga axial 
 
Assim através da formula (33) calculamos a vida do rolamento em ciclos. 
𝐿10 = (
𝐶
𝑃
)
10
3
 (33) 
 
Para os rolamentos projetados foi encontrada uma vida de 393 ∗ 106 para o rolamento 
A e 7038 ∗ 106 para o rolamento B. Se considerarmos um funcionamento de 8 horas 
diárias todos os dias do ano, seria equivalente a 22 anos para o rolamento A e 407 anos 
para o rolamento B. 
 
3.6. Seleção de Freio 
 
A turbina foi projetada para ventos de 8 m/s, quando a velocidade do vento ultrapassa 
esse valor é necessário que um freio interrompa o movimento da turbina para evitar que 
danifique os componentes. 
O freio escolhido para o projeto foi um Combinorm-B, um dos modelos de freio 
eletromagnéticos da KEB. 
Para selecionar o tamanho do freio, foi utilizada a fórmula: [10] 
𝑀2𝑁 = 𝑀𝑒𝑟𝑓 ∗ 𝐾 (34) 
Sendo: 
𝑀2𝑁 = Torque de dimensionamento 
𝑀𝑒𝑟𝑓 = Torque necessário para frenagem 
𝐾 = Fator de segurança 
 
O valor mínimo para esse fator de segurança é dois. Então para o projeto podemos 
utilizar o freio de tamanho 09. [10] 
 Para calcular a vida do freio, primeiro é necessário calcular a carga térmica 
durante o funcionamento e checar se esta é menor do que o valor máximo recomendado 
18 
 
pelo fabricante. O fator de segurança para a carga térmica do freio escolhido para as 
condições de operação do projeto é 𝑛𝑇 = 203. 
 Com o dado da carga térmica já calculado, podemos dizer a vida do freio através 
dos dados presentes no catálogo, resultando numa vida de 6647 operações. 
 
 
19 
 
 
4. Conclusão 
 
A construção de uma turbina eólica vertical apresenta um custo elevado para que se 
torne um item comum nas residências. Porém, cada vez mais será necessário pensar em 
outras formas de geração energética para atender a demanda crescente dos grandes 
centros. Com mais pesquisas dedicadas ao assunto a tendência é a otimização da 
fabricação, redução do seu custo e melhoria na eficiência. 
Uma residência brasileira de classe média alta na região sudeste, que representa uma 
parte de nosso consumidor alvo, consome aproximadamente 0,205 MW/h no mês de 
maior consumo que é fevereiro. (9) A turbina vertical projetada tem capacidade de 
sustentar até duas residências. Caso seja implementado na nossa rede elétrica o sistema 
de injeção de energia, é possível vender para a distribuidora o excesso de energia 
produzido, o que diminuiria custos e incentivaria o mercado de microgeração energética. 
 
20 
 
5. Bibliografia 
 
[1] GLOBAL WIND ENERGY COUNSIL.. Global Wind Energy Outlook Disponível 
em:< http://www.gwec.net/wp-content/uploads/2014/10/GWEO2014_WEB.pdf >. Data 
de acesso: 12 de fev. 20015 
 
[2]Amarante,Odilon, Zack, Michael e Sá, Antônio. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, 
Brasília, 2001. 
 
[3] Eriksson, Sandra, Bernhoff, Hans e Leijon, Mats. Evaluation of different turbine 
concepts for wind power.Renewable & sustainable energy reviews. 2006, Vols. 12 
 
[4] Paraschivoiu, Ian, Wind turbine design, With emphasis on Darrieus concept, 1 ed. 
Presses Internationales Plytechnique, 2002. 
 
 
[5] ANEEL – Agência Nacional de Energia.. Perdas de energia Disponível em:< 
http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=801>. Data de acesso: 21 de fev. 20015 
 
 
[6] Féodosiev,Resistência dos Materiais, Edições Lopes da Silva, Porto, Portugal, 
1977. 
 
[7] Shigley, Joseph E., Mischke, Charles R., Budynas, Richard G., Elementos de 
Máquinas de Shigley. Projeto de Engenharia Mecânica, 7ª ed., 2005. 
 
 [8] Crandall, Stephen H., Dahl, Norman C., An Introduction to the Mechanics of 
Solids, 3ªed, 1978. 
 
[9] EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, Consumo Mensal de Energia Elétrica 
por Classe (regiões e subsistemas) 2004-2014. Disponível em: 
<http://www.epe.gov.br/mercado/Documents/Consumo%20Mensal%20de%20Energia
%20El%C3%A9trica%20por%20Classe%20(regi%C3%B5es%20e%20subsistemas)%2
0-%202004-2014.xls>. Data de acesso: 19 de fev. 2015 
 
[10] KEB, Combinorm Eletromagnetics Clutches and Brakes, 2007. 
 
 
21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Apêndice I – Desenhos técnicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
22 
 
 Lista de desenhos: 
 
Desenho 01: Montagem 
Desenho 02: Eixo 
Desenho 03: Suporte Eixo Inferior 
Desenho 04: Suporte Eixo Superior 
Desenho 05: Ligação Eixo Pá 
Desenho 06: Apoio Pá Interno 
Desenho 07: Apoio Pá Externo 
Desenho 08: Pá 
Desenho 09: Base 
Desenho 10: Flange Tampa Inferior 
Desenho 11: Flange Tampa Carcaça 
Desenho 12: Tampa Superior Carcaça 
 
 4
00
0 
 4
93
7,
23
 
 
35
00
 
Montagem
A0
DES. Nº
TÍTULO
Desenho 01
Escala 1:10
Luiza Pinheiro de Macedo
01/03/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Lista de componentes Número do desenho
Desenho 02
Desenho 03
Desenho 04
Desenho 05
Desenho 06
Desenho 07
Desenho 08
Desenho 09
Desenho 10
Desenho 11
Desenho 12
Eixo
Suporte Eixo Inferior
Suporte Eixo Superior
Ligação Eixo Pá
Apoio Pá Interno
Apoio Pá Externo
 Pá 
Base
Flange Tampa Inferior 
Flange Inferior Carcaça 
Flange Superior Carcaça 
Desenho 13Tampa Superior Carcaça 
 2
00
 
25
 
 8
0 
 2
5 
 4
0 95 
-
-
0,04
0,07 
 2
05
2 
45 
35 
 
-
0
0,25 
 6
0 
25 
-
-
0,02
0,04 
 1
10
 5
00
 
20 
 1
45
 
A
120 
98 
2 x 6
12 
DETALHE A 
ESCALA 1 : 2
Eixo
A4
DES. Nº
TÍTULO:MATERIAL:DATANOME
Aço SAE 4340
Desenho 02 
Escala 1:10
01/02/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Luiza Macedo
 1
0 
 70 
 3
5 
 12 
 20 
 15
 
 20 R
40
 
Suporte Eixo Inferior
A4
DES. Nº
TÍTULO:MATERIAL:DATANOME
Aço SAE 4340
Escala 1:2
Desenho 03
01/03/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Luiza Macedo
 70 
 3
5 
 R40 
 15 
 20 
 2 x 6 
 
12
 
 120° 
 1
0 
Suporte Eixo Superior
A4
DES. Nº
TÍTULO:MATERIAL:DATANOME
Aço SAE 4340
Escala 1:2
Desenho 04
01/03/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Luiza Macedo
 1
0 
 1650 
 1
3 15 
 1
5 1
5 13 
 6,50° 
 15 
Ligação Eixo-Pá
A4
DES. Nº
TÍTULO:MATERIAL:DATANOME
Aço SAE 4340
Escala 1:10
Desenho 05
17/02/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Luiza Macedo
 1
0 
 6
0 
 40 
 46,84 
 15 
 1
5 
 
13
 
 6,50° 
Apoio Pá Interno
A4
DES. Nº
TÍTULO:MATERIAL:DATANOME
Aço SAE 4340
Escala 1:1
Desenho 06
01/03/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Luiza Macedo
 10 
 60 
 5
0 
 13 
 15 
 1
5 
Apoio Pá externo
A4
DES. Nº
TÍTULO:MATERIAL:DATANOME
Aço SAE 4340
Escala 1:1
Desenho 07
17/02/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Luiza Macedo
 175 
 4
00
0 
 
13 
 60,5 
 5
0 
 15 
 1
5 
 1
78
5 
 4
80
 
Pá
A4
DES. Nº
TÍTULO:MATERIAL:DATANOME
Fibra deVidro
Escala 1:20
Desenho 08
21/02/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Luiza Macedo
 3
0 
 1
00
0 
 1000 
 6 x 12 
 170 
 5
00
 
 500 
Base
A4
DES. Nº
TÍTULO:MATERIAL:DATANOME
Aço SAE 4340
Escala 1:10
Desenho 09
22/02/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Luiza Macedo
 679,06 
 2
0 
 5
6 
 180 
 200 
 5
6 
 2
0 
 800 
 R400 
 8 x 
12 
 R380 
Flange Tampa Inferior
A4
DES. Nº
TÍTULO:MATERIAL:DATANOME
Aço SAE 4340
Escala 1:10
Desenho 10
01/03/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Luiza Macedo
 202,70 
 180 
 2
0 
 2
0 
 R400 
 8 x 
12 
 R380 
Flange Inferior Carcaça
A4
DES. Nº
TÍTULO:MATERIAL:DATANOME
Aço SAE 4340
Escala 1:10
Desenho 11
01/03/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Luiza Macedo
 150 
 202,74 
 2
0 
 2
0 
 R
15
0 
 8 x 12 
 R13
0 
Flange Superior Carcaça
A4
DES. Nº
TÍTULO:MATERIAL:DATANOME
Aço SAE 4340
Escala 1:2
Desenho 12
01/03/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Luiza Macedo
 150 
 210 
 47 
 7
0,
73
 
 2
0 4
4,
73
 
 1
0 4 x 6,60 
 3
6 
 68,50 
 R1
2,5
0 
 R1
50
 
 8 x 12 
 R13
0 
Tampa Superior Carcaça
A4
DES. Nº
TÍTULO:MATERIAL:DATANOME
Aço SAE 4340
Escala 1:2
Desenho 13
01/03/2015
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Trabalho de Conclusão de Curso
Luiza Macedo
36 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Apêndice II – Componentes Comerciais 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
37 
 
 
 
 
 
Figura 10 – Especificações do Freio 
 
 
38 
 
 
Figura 11 – Dados Técnicos do Freio 
 
39 
 
 
Figura 12 – Especificações do Rolamento B 
 
 
Figura 13 – Especificações do Rolamento A 
 
40 
 
 
Figura 14 – Especificações do Alternador 
 
 
41 
 
 
Figura 15 – Desenho de Referência do Alternador 
 
 
42 
 
 
Figura 16 – Catálogo de Tubos 
Fonte: Flex – Comércio de Válvulas e Conexões Ltda. 
	PROJETO MECÂNICO DE UM AEROGERADOR DE EIXO VERTICAL PARA MICROGERAÇÃO EM AMBIENTES URBANOS versão final
	Apoio Pá externo
	Folha1
	Vista de desenho1
	Vista de desenho2
	Apoio Pá Interno
	Folha1
	Vista de desenho1
	Vista de desenho2
	Vista de desenho4
	Base
	Folha1
	Vista de desenho1
	Vista de desenho2
	Eixo
	Folha1
	Vista de desenho1
	Vista de desenho2
	Vista de desenho3
	Vista de detalhe A (1 : 2)
	Flange Inferior Carcaça
	Folha1
	Vista de desenho1
	Vista de desenho2
	Flange Superior Carcaça
	Folha1
	Vista de desenho3
	Vista de desenho4
	Flange Tampa Inferior
	Folha1
	Vista de desenho5
	Vista de desenho6
	Ligação eixo pá
	Folha1
	Vista de desenho1
	Vista de desenho3
	Pá
	Folha1
	Vista de desenho1
	Vista de desenho2
	Suporte Eixo Inferior
	Folha1
	Vista de desenho2
	Vista de desenho4
	Suporte Eixo Superior
	Folha1
	Vista de desenho1
	Vista de desenho2
	Tampa Superior Carcaça
	Folha1
	Vista de desenho5
	Vista de desenho6
	Montagem 5.PDF
	Folha1
	Vista de desenho1
	Vista de desenho7