Nghiên cứu cấu tạo và tính toán turbine điện gió (tt)

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --- ĐÀO HẢI ĐẠT NGHIÊN CỨU CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN TURBINE ĐIỆN GIÓ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN D

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

ĐÀO HẢI ĐẠT

NGHIÊN CỨU CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN TURBINE ĐIỆN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2016

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

ĐÀO HẢI ĐẠT KHÓA 2014 - 2016

NGHIÊN CỨU CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN TURBINE ĐIỆN

GIÓ

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã Số: 60.58.02.08

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS ĐOÀN THỊ TUYẾT NGỌC

Hà Nội - 2016

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tôi xin trân trọng cảm ơn cô giáo NGƯT.PGS.TS ĐOÀN THỊ TUYẾT NGỌC, người đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn khoa học và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Khoa sau đại học của nhà trường cùng các thầy cô giáo, những người đã trang bị kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập

Xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp

đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận văn này

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

MỤC LỤC

Trang LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU

DANG MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN ỨNG DỤNG TURBINE ĐIỆN GIÓ TRÊN

THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.1 Tổng quan về ứng dụng Turbine điện gió trên thế giới hiện nay 1 1.2 Ứng dụng Turbine điện gió tại Việt Nam 7 1.3 Giới thiệu về Turbine điện gió 10

1.3.1 Cấu tạo Turbine điện gió

1.3.2 Vật liệu sử dụng chế tạo Turbine điện gió

1.3.3 Cơ chế làm việc của Turbine điện gió

1.4 Mục đích nghiên cứu của luận văn

10

11

12

12

CHƯƠNG II : NGUYÊN LÝ, CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN TURBINE

ĐIỆN GIÓ

13

2.1 Các bộ phận của Turbine điện gió 13 2.2 Những tải trọng tác dụng lên bộ phận công trình 17

2.2.2 Hoạt tải

2.2.3 Tải trọng đặc biệt

`18

2.3 Các phương pháp tính toán tải trọng và tổ hợp tải trọng

2.3.1 Phương án A1

2.3.2 Phương án A2

18

19

19

2.3.3 Phương án A3 19

2.4 Xác định các tải trọng dài hạn, ngắn hạn lên các bộ phận của Turbine

điện gió

20

2.4.1 Quy ước hệ trục tọa độ trong tính toán 22 2.4.2 Trọng lượng bản thân của cánh quạt 22 2.5 Tính toán kiểm tra bền, ổn định cho thân tháp

2.5.1 Kiểm tra bền thân tháp

2.5.2 Kiểm tra ổn định tổng thể thân tháp

2.5.3 Kiểm tra chuyển vị đỉnh tháp

36

36

36

37

3.1 Các số liệu

3.2 Các giả thiết trong tính toán

3.3 Các tải trọng gió thành phần tác dụng lên hộp trục qua tâm quạt

3.4 Tải trọng quán tính sinh ra bởi sự quay của quạt

3.5 Trọng lượng bản thân của quạt và hộp quạt

3.6 Tải trọng thân cột turbine

3.7 Tải trọng gió tác đụng lên tháp

38

39

39

42

44

44

47 3.8 Tính tải trọng do động đất

3.9 Tổ hợp tải trọng tác dụng tại các vị trí trên thân tháp turbine để kiểm

tra bền và ổn định

3.10 Kiểm tra bền ổn định thân tháp turbine

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

50

51

53

CÁC KÝ HIỆU

Dg1, Dg2 Đường kính gốc

Dn1, Dn2 Đường kính ngọn

Dtb Đường kính trung bình đoạn nối

Knối Hệ số nối (từ 2,5 – 3)

Db Đường kính ngoài của mặt bích

Da Đường kính trong của mặt bích

Dbl Đường kính vành đai bu lông

tmb Chiều dày tấm mặt bích

mBK Khối lượng quạt

g Gia tốc rơi tự do

 Góc nghiêng của cánh quạt theo phương ngang

 Góc lệch của cánh quạt xoay theo trục dọc của nó

 Góc của cánh quạt với trục Rotor

 Góc của hướng gió với trục X

Z Tốc độ quay của quạt

Cxp Hệ số cản chính diện của quạt

WBK Tần số quay của quạt

R Bán kính quạt

VP Vận tốc gió theo công suất của turbine gió và góc xoay  của cánh

quạt

ζ Tỷ trọng không khí

ς Hệ số áp lực động của tải trọng gió

ν Hệ số tương quan áp lực động

ωBK Vận tốc góc định mức của quạt (Rad/s)

ωz Vận tốc góc quay của cánh quạt quanh trục Z

BK Momen quán tính độc cực của cánh quạt theo trục quay của nó

0,1 Momen quán tính của khối lượng cánh quạt theo trục trọng tâm

vuông góc với mặt phẳng cánh quạt

rπ Khoảng cách từ trục quay của quạt đến trọng tâm của cánh quạt

e Độ lệch tâm

 Trọng lượng riêng của vật liệu làm tháp

R Bán kính trung bình của các đoạn tháp

ti Chiều dầy các đoạn ống

hi Chiều cao các đoạn ống

qcz Tải trọng gió tĩnh ở độ cao Z

k Hệ số tương đương quy đổi của tải trọng gió động về tĩnh

γf Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió

Wo Áp lực gió tiêu chuẩn phụ thuộc vào vùng xây dựng

ki Hệ số độ cao ứng với từng đoạn tháp

cxi Hệ số cản chính diện với thép ống cxi = ko.Cx 

Cx  Phụ thuộc vào hệ số Raynolds ( Re ) và

H



( độ xù xì bề mặt )

Dki Đường kính trung bình của đoạn thân tháp

k Được xác định tương tự như ở phần quạt

Tc Giới hạn trên của chu kỳ ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản

ứng gia tốc

d

S (T1) Tung độ của phổ thiết kế không thứ nguyên

T1 Chu kỳ dao động cơ bản của công trình

W Tổng trọng lượng của công trình ở trên móng

PPxф ,

PPz,zp

Khối lượng riêng của móng và khối lượng riêng của đất

Pc Tải trọng gió tĩnh

Kp Hệ số biên độ

ω1t Tần số dao động riêng thứ 1 của turbine điện gió

P Lực dọc ( N )

A Tiết diện ngang ( mm2)

Mx Momen uốn quanh trục X-X

My Momen uốn quanh trục Y-Y

Ix Momen quán tính quanh trục X-X

Iy Momen quán tính quanh trục Y-Y

Cx Khoảng cách từ trục X-X đến điểm tính ứng suất

Cy Khoảng cách từ trục Y-Y đến điểm tính ứng suất

V Tổng lực cắt ( N )

Q Momen tĩnh tiết diện quanh trục trung hòa

I Momen quán tính chính tiết diện

T Momen xoắn

J Momen quán tính xoắn của tiết diện ngang

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU

Bảng 1-1 Công suất định mức năng lượng gió của các nước trên thế giới

năm 2007 Bảng 1-2 Công suất định mức lắp đặt tại Đức năm 2004

Bảng 1-3 Công suất định mức lắp đặt tại Áo năm 2004

Bảng 1-4 Công suất định mức lắp đặt tại Pháp năm 2004

Bảng 3-1 Lực tính toán tại đầu quạt, hộp trục

Bảng 3-2 Lực và mô men tác dụng lên các điểm trên thân turbine

Bảng 3-3 Tải trọng gió trên thân turbine theo phương án A1

Bảng 3-4 Tải trọng gió trên thân turbine theo phương án A2

Bảng 3-5 Tải trọng gió trên thân turbine theo phương án A3

Bảng 3-6 Nội lực trên thân turbine theo phương án A1

Bảng 3-7 Nội lực trên thân turbine theo phương án A2

Bảng 3-8 Nội lực trên thân turbine theo phương án A3

Bảng 3-9 Các đặc trưng hình học tiết diện của turbine

Bảng 3-10 Ứng suất kết hợp trên thân turbine theo 3 phương án A 1, A 2 , A 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Một số hình ảnh của turbine điện gió trên thế giới

Hình 1-2 Công xuất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2008 Hình 1-3 Hình ảnh turbine điện gió tại Việt Nam

Hinh 1-4 Năm tổ máy của nhà máy điện gió tầm cỡ MW đầu tiên ở Việt

Nam Hình 2-1 Cấu tạo turbine điện gió

Hình 2-2 Hộp chứa thiết bị

Hình 2-3 Mô tả sơ đồ của 3 hệ trục tọa độ, thể hiện các lực tác động lên

vào cánh quạt lên hộp trục của tháp Hình 2-4 Sơ đồ trục tọa độ của cánh quạt và tháp

Hình 2-5 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của góc nghiêng với hướng gió Hình 2-6 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa tốc độ quay của quạt và C*

xp

Hình 2-7 Biểu đồ biểu diễn quan hệ của hệ số khí động lực với tốc độ

quay của quạt Hình 2-8 Hình chiếu của lực li tâm tương ứng với góc quay của quạt Hình 2-9 Hệ trục tọa độ ứng với đoạn phân chia của tháp

Hình 2-10 Hệ trục tọa độ và ác lực tác động trên mặt móng

Hình 2-11 Hệ trục tọa độ và các lực tác dụng trên đất nền

1

`

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nhu cầu điện năng ở mỗi nước và toàn thế giới không ngừng tăng, nhưng nguồn nhiên liệu than và khí đốt cho nhiệt điện không còn dồi dào và gây khó khăn lớn cho việc khắc phục ô nhiễm môi trường nặng nề Thủy điện lớn thì đã đến lúc cạn kiệt, chỉ còn điện hạt nhân đang đóng vai trò lớn tuy nhiên khi xảy ra

sự cố có thể gây ra những hậu quả khó lường

Hiện nay nguồn năng lượng tái tạo nổi lên như một trong những nguồn cứu cánh Bên cạnh điện mặt trời, điện gió đang là nguồn đáp ứng không thể thiếu cho nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam

Nước ta là nước có chiều dài ven biển lớn,nguồn điện năng hiện nay nước ta

sử dụng phần lớn từ các thủy điện mà bỏ qua nguồn tài nguyên gió chưa được khai thác tận dụng tận dụng nguồn tài nguyên này rất có ích cho việc sản xuất điện năng cho những vùng sâu xa không có sông ngòi

Do vậy đề tài “ Nghiên cứu cấu tạo và tính toán turbine điện gió” hướng đến giải pháp tận dụng nguồn tài nguyên gió đến sản xuất điện năng góp phần giải quyết nhu cầu sử dụng điện năng ngày một tăng cao ở nước ta

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu áp dụng turbine điện gió ở những vùng miền biển nước ta

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Tính toán và cấu tạo của turbine điện gió

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu về cấu tạo, thiết kế, vật liệu phần thân của

Turbine điện gió ( tính toán về bền, ổn định )

4 Phương pháp nghiên cứu

2

`

- Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa, thu thập tài liệu;

- Phương pháp nghiên cứu các tài liệu sẵn có để từ đó đưa ra các nguyên lý về cấu tạo, tính toán và áp dụng turbine điện gió

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn : tìm hiểu nghiên cứu hoạt động, cấu tạo và tình toán của turbine điện gió từ đó áp dụng lên mọi địa hình, vị trí cần thiết kế tại Việt Nam

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính của luận văn có ba chương gồm có:

- Chương I : Tổng quan ứng dụng Turbine điện gió trên thế giới và Việt Nam

- Chương II : Nguyên lý cấu tạo,tính toán Turbine điện gió

- Chương III : Ví dụ tính toán

THÔNG BÁO

Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui

lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện

– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

62

`

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

Turbine điện gió là bộ phận tạo ra năng lượng điện, hiện nay đã được sử dụng tại Việt Nam Thân và cánh quạt của turbine được nhập khẩu do công ty của nhà sản xuất cung cấp

Cấu tạo của turbine điện gió gồm các phần chính : cánh quạt, hộp chứa thiết

bị, tháp chịu lực, bu lông neo và móng

Cánh quạt thường có 2 hoặc 3 cánh, tiết diện không thuôn đều và có độ nghiêng

Tháp có thể có 2 dạng : dạng rỗng làm từ thép thanh và dạng trụ có độ thuôn làm từ thép ống Các đoạn ống được lồng vào nhau hoặc lắp ráp thông qua mặt bích và bu lông

Móng thường là móng cọc ép hoặc cọc nhồi

Xác định tải trọng lên turbine gió khá phức tạp, tải trọng tác dụng lên quạt phụ thuộc vào trọng lượng cánh quạt, tốc độ quay của quạt, vận tốc gió theo công suất của turbine, góc xoay của cánh quạt

Tải trọng gió có thể tính theo 2 phương án :

+ Phương án B1 : Tải trọng gió lên cánh, tháp turbine khi cánh quạt quay với tốc

độ tính toán có 2 dạng : tính toán tải trọng gió có thành phần áp lực xung và tính toán tải trọng gió không có thành phần áp lực xung

+ Phương án B2 : Tải trọng gió lên turbine khi giá trị gió lớn nhất ( có bão ) cánh quạt ngừng quay

Tải trọng động đất chỉ tính đến 1 dạng dao động đầu tiên

Tổ hợp tải trọng để tính cho bền và ổn định có 3 phương án

63

`

+ Phương án A1 : Turbine gió làm việc, trong đó có tải trọng gió có kể đến áp lực xung

+ Phương án A2 : Khi có bão, tải trọng gió với vận tốc lớn nhất, cánh quạt ngừng không hoạt động

+ Phương án A3 : có tính đến động đất, turbine đang làm việc, gió không kể đến

áp lực xung

Khi tính đến tổ hợp do động đất hệ số tổ hợp : tải trọng dài hạn nc = 0,9 ngắn hạn 0,8 động đất 1

Tính toán lún, độ nghiêng được thực hiện với tổ hợp tải trọng của phương

án A1 và A2

KIẾN NGHỊ

Việc áp dụng turbine điện gió vào Việt Nam cần có thêm nhiều nghiên cứu

để đưa vào tiêu chuẩn tính toán ở Việt Nam cho phù hợp và có hiệu quả

Tính toán kiểm tra turbine điện gió cần có thêm kiểm tra lún, mỏi vấn đề này

sẽ là phần nâng cao thêm của luận văn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TIẾNG NGA

1 СниП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР М.,1987

2 СНиП II-23-81* Стальные конструкции / ЦИТП М., 1990

3 СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений / Госкомитет СССР по делам строительства М., 1985

4 Справочник по динамике сооружений/ Под Ред Б.Г Коренева и И.М.Рабиновича М., Стройиздат., 1972

5 Ветроэнергетическая установка мощностью 1000 кВт «Радуга-1» Эскизный проект Ч.2, кн.5 Нагрузки, прочность, тепловые расчеты/ МКБ «Радуга», 1990

6 Robert Gach Windkraftanlagen / B.G Teubner Stutgart, 1993

7 Елистратов В В., Константинов И А., Панфилов А А Динамические расчеты системы «ветроэнергетическая установка-фундамент-основание» Учеб Пособие СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999

8 Елистратов В В., Константинов И А., Панфилов А А., Нагрузки

на элементы ветроэнергетической установки на ее фундамент и основание Учебное пособие СПб: Изд-во СПбГТУ, 1999

TIẾNG VIỆT

9 TCVN 2737:2012 Tải trọng và tác động tiêu chuẩn thiết kế

10 Phạm Văn Hội và các tác giả khác Kết cấu thép công trình dân dụng

và công nghiệp