Análise dinâmica não linear de uma turbina eólica offshore monopile com TMD

Abstract

Resumo: A busca cada vez maior por fontes energéticas limpas e renóvaveis nos últimos anos, faz com que a energia eólica apresente-se com destaque como fonte de diversos estudos, em especial à sua aplicação no meio oceânico. Em razão da atuação das cargas ambientais de onda, vento e corrente as turbinas eólicas offshore podem apresentar grandes amplitudes de movimento, as quais levam ao aparecimento de fenômenos não lineares como: saltos dinâmicos, bifurcações, dependência entre frequência e amplitude de vibração, perda de estabilidade, ciclos limites e caos, com menores amplitudes de movimento podendo ser alcançadas através do uso de controladores estruturais, comumente utilizados na engenharia civil para redução dos efeitos das cargas extremas de vento e terromoto. Nesse trabalho é realizada a análise dinâmica não linear de uma turbina eólica offshore monopile com um controlador linear passivo de massa sincronizada (TMD), com o objetivo de indentificar e análisar os fenômenos não lineares presentes nas respostas do sistema e o efeito da presença e da variação de massa do controlador nesses fenômenos. As analises à vibrações livre e forçada são estudadas para o sistema sem a presença do controlador, sendo a carga externa adotada como uma força harmônica uniformemente distribuída ao longo do comprimento da estrutura com direção de atuação transversal a essa. Para análise do sistema com o controlador as análises linear e não linear à vibração forçada amortecida são realizadas. A estabilidade é análisada utilizando-se uma série de métodos analíticos que facilitam uma análise paramétrica e a indentificação de fenômenos não lineares importantes no comportamento vibratório do sistema. Os resultados obtidos são comparados com a solução obtida da intergração numérica do sistema original de equações, apresentando um boa precisão dentro do dominio de validação do sistema. Na análise à vibração livre do sistema sem o controlador, através das curvas frequência-amplitude e frequência-energia observa-se o fenômeno de ganho de rigidez. Verifica-se na vibração forçada sem o controlador a existência de saltos entre múltiplas soluções. Observa-se que a presença do controlador no sistema ocasina a redução das vibrações na região de ressonância externa e a eliminação do fenômeno de salto dinâmico, porém, verifica-se o aparecimento de duas novas frequências de pico. A variação de massa do controlador apresenta uma grande influência na redução das vibrações na região de ressonância externa, como também nas novas frequências de pico, além de ocasionar o deslocamento das frequências de pico e a presença de soluções instáveis e bifurcações. Mostra-se assim, a importancia da análise dinâmica não linear para uma caracterização adequada do comportamento das turbinas eólicas offshore com e sem controladores estruturais em suas etapas de pré-projetos. Palavras-chaves: Estruturas offshore. Fenômenos dinâmicos não lineares. Controlador linear passivo.

Abstract: The constant search for clean and renewable energy sources in recent years has put in evidence the wind energy as shown by a diversity of studies, with special attention on the application to the offshore environment. Due to environment loads of wave, wind and current offshore wind turbines are susceptible to large displacements of motion. The large amplitude of motion can lead to complex nonlinear phenomena as jump, bifurcations, the dependency between frequency and amplitude of vibration, lost of stability, limit cycles and chaos. The excessive vibrations can be reduced by the use of a structural damper, commonly used in civil engineering for mitigation of the wind and earthquake loads. In this work, the non-linear dynamic analysis of a monopile offshore wind turbine with a tuned linear mass damper (TMD) is performed. The main goals are to identify and to analyze the nonlinear phenomena in the dynamic response of a monopile offshore wind turbine, and also to describe and explain the effects of the presence of a controller and its mass ratio upon these phenomena. Free and forced vibration analyses are done considering the uncontrolled system, with the external load modeled as a harmonic force distributed uniformly along the length of the structure. The controlled system is studied by performing linear and nonlinear forced vibration analyses. Analytical methods are used in order to facilitate the parametrical studies and the identification of hazardous nonlinear phenomena. Full numerical integration results are compared to the analysis obtained by analytical methods and a good agreement between those two set of results is observed. The nonlinear phenomenon of hardening is observed in free vibration analysis without the controller. For the forced vibration, the presence of jumps between multiple solutions is detected. The presence of the controller into the system leads to the reduction of the vibrations in the external resonance band and the elimination of the jump phenomenon. However, the controller system presents two new resonant peaks. The appearance of unstable solutions and bifurcation are observed for some parametrical conditions of the controlled system. The damper mass has a large influence in the greater reduction of vibration in the external resonance frequency, reduction of the vibration in the new resonance peaks, displacement of the new resonance peaks and the presence of unstable solutions in the system response. It shows up the importance of the nonlinear dynamic analysis for a adequate characterization of offshore wind turbines behavior with and without structural damper during pre-stages of design. Key-words: Offshore structures. Nonlinear dynamic phenomena. Passive linear damper.