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Efeitos giroscópicos do rotor eólico durante a orientação da nacele

Um rotor em rotação tem momento angular com direção e magnitude. Reorientar seu eixo pode alterar esse vetor mesmo quando a velocidade de rotação permanece constante. O torque associado é, portanto, diferente do torque que acelera a rotação em torno do próprio eixo de rotação.

A orientação da nacele pode redirecionar o momento angular sem aumentar a energia rotacional.

Separe o eixo de rotação, o eixo de yaw e a direção do torque. A relação física é vetorial; um valor escalar de inércia ou energia sozinho não consegue descrevê-la.

01 / Momento angular

A direção segue um modelo de rotação definido.

Para um rotor rígido girando em torno de um eixo de simetria principal, escreva H = I_sωe_s.

Para um rotor rígido girando em torno de um eixo de simetria principal, escreva H = I_sωe_s. Aqui, I_s representa a inércia em relação a esse eixo, ω a taxa de rotação e seu sinal, e e_s sua direção unitária. O momento angular tem unidades kg·m²/s, equivalentemente N·m·s.

Um corpo mais geral pode exigir um tensor de inércia em vez dessa forma escalar. O guia de inércia explica a outra grandeza relacionada à distribuição de massa; a questão atual também envolve mudanças de direção.

02 / Relação de torque.

O torque externo resultante altera o momento angular.

Para o sistema escolhido em um referencial inercial, o torque externo resultante é dH/dt.

Para o sistema escolhido em um referencial inercial, o torque externo resultante é dH/dt. Tanto uma variação no módulo de H quanto uma variação em sua direção contribuem. Essa relação não afirma que todo torque deva ser paralelo ao eixo de rotação.

A explicação giroscópica da OpenStax mostra como um torque perpendicular ao momento angular existente o redireciona. No caso idealizado de magnitude constante, essa mudança de direção não exige aumento da magnitude da energia de rotação do rotor.

03 / Acoplamento com a orientação da nacele

Um eixo que muda de direção produz um termo de produto vetorial.

Se a direção do momento angular for alterada por uma velocidade angular Ω_y enquanto sua magnitude permanece constante, a contribuição direcional será τ = Ω_y × H.

Se a direção do momento angular for rotacionada pela velocidade angular Ω_y enquanto sua magnitude permanece constante, a contribuição direcional será τ = Ω_y × H. A magnitude é Ω_yH sinθ, em que θ é o ângulo entre esses vetores.

Esse termo se anula para vetores paralelos nessa idealização e é máximo para vetores perpendiculares. Não é uma fórmula para todas as cargas aerodinâmicas, gravitacionais ou de suporte da turbina.

04 / Exemplo de direção

O torque necessário não precisa estar alinhado com o eixo de orientação da nacele.

Escolha eixos x, y, z que formem um sistema de mão direita, com o momento angular de rotação ao longo de +x e a velocidade angular de orientação da nacele ao longo de +z.

Escolha eixos x, y, z que formem um sistema de mão direita, com o momento angular de rotação ao longo de +x e a velocidade angular de orientação da nacele ao longo de +z. Como z × x = y, o torque necessário para redirecionar esse momento angular do rotor aponta ao longo de +y.

Um H hipotético de 20 N·m·s e uma velocidade angular de orientação perpendicular de 0.05 rad/s resultam em 1 N·m para esse termo. Esses valores inventados não especificam uma velocidade angular de orientação, uma inércia ou uma carga estrutural da MARSTON.

05 / Ação e reação.

Identifique qual corpo recebe o torque.

O torque que atua sobre o rotor para redirecionar seu momento angular e a reação do rotor sobre o elemento que restringe seu movimento são ações opostas nessa interação.

O torque que atua no rotor para redirecionar seu momento angular e a reação do rotor sobre o elemento que o restringe são ações opostas nessa interação. O sistema de suporte também pode suportar outras cargas, portanto sua ação total não é determinada apenas pelo termo giroscópico.

Chamar esse termo de torque do motor de orientação da nacele apenas porque a orientação causou a mudança de direção confunde os eixos. No exemplo simples de eixos perpendiculares, seu vetor é transversal ao eixo de orientação da nacele.

06 / Escopo do modelo

Rotores flexíveis e de velocidade variável exigem mais termos.

A aceleração da rotação, a deformação, a variação da inércia e o movimento adicional do corpo podem alterar a relação do momento angular.

A aceleração da rotação, a deformação, a variação da inércia e o movimento adicional do corpo podem alterar a relação de momento angular. Uma ilustração de um corpo rígido, axissimétrico e com rotação constante omite essas contribuições; sua simplicidade deve permanecer evidente.

Não se atribui aqui nenhuma carga giroscópica real da MARSTON nem qualquer movimento de orientação admissível da nacele. O princípio explica um mecanismo de acoplamento, e não um cálculo da capacidade de suporte, um ajuste do controlador ou uma operação a executar.

Continue a análise com Perturbação causada pela torre de turbinas eólicas e carregamento cíclico das pás.

Continue a análise com Formas modais e frequências naturais das pás eólicas.

Continue a análise com Velocidade crítica e movimento de precessão do eixo do aerogerador.

Consulte carregamento centrífugo e pré-tensão rotacional como um tópico separado sobre cargas nas pás em rotação, junto à discussão sobre efeitos giroscópicos.

Contexto geral: OpenStax: Momento angular vetorial e torque giroscópico · OpenStax: balanço do momento angular para um sistema definido. Essas referências explicam conceitos do setor; elas são distintas dos documentos aplicáveis de produto e projeto da MARSTON.

Conceitos-chave e condições.

Interprete cada grandeza com sua referência, unidades e condições declaradas. Uma relação geral não estabelece um valor específico de um modelo.

Conceito / grandezaSignificado / relaçãoCondições / limites
HVetor de momento angular, N·m·sA forma escalar I_sω pressupõe o modelo de rotação especificado.
Ω_yVelocidade angular que reorienta o eixo, rad/sNão a velocidade de rotação do rotor.
dH/dtTorque resultante no rotor definidoInclui alterações de magnitude e direção.
Ω_y × HContribuição giroscópica direcional.A ordem e os eixos determinam seu sinal.
Reação no apoioTorque de interação oposto.Outras contribuições de carga permanecem separadas.

Questões de engenharia.

A rotação a velocidade constante ainda pode exigir torque durante a orientação da nacele?

Sim. Redirecionar seu vetor de momento angular pode exigir um torque transversal.

O torque giroscópico é sempre um torque em torno do eixo de orientação da nacele?

Não. Sua direção segue o produto vetorial.

A energia escalar de rotação pode descrever a direção do torque?

Não. A energia não possui informação direcional.

Por que o torque do exemplo está na direção +y?

Em eixos destros definidos, +z × +x = +y.

A reação do apoio é o mesmo torque, com o mesmo sinal, que atua sobre o rotor?

As ações são opostas na interação; indique o corpo que está sendo descrito.

1 N·m é uma carga do produto?

Não. Isso vem de um modelo hipotético de rotor com magnitude constante.

Consulta técnica

Discuta a questão técnica.

Um rotor em rotação possui momento angular com direção e magnitude. Compartilhe o modelo e as informações aplicáveis de operação ou projeto para uma discussão de engenharia.