Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng khối buồng xoắn nhà máy thủy điện turbin trục đứng

-1- MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 1.1.TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 1.2.TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU: TÍNH TỐN KẾT 17 CẤU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CHƯƠNG II: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CƠ SỞ DỰ LIỆU CHO 21 CƠNG TÁC NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN KẾT CẤU BUỒNG XOẮN TURBIN TRỤC ĐỨNG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 2.1.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG 21 2.1.1 Phương pháp giải tích 21 2.1.1.1 Phương pháp Sức bền vật liệu 21 2.1.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi 22 2.1.2 Các phương pháp số 23 2.1.2.1 Phương pháp sai phân hữu hạn 23 2.1.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 24 2.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG 26 TÍNH TỐN KẾT CẤU 2.2.1 Nội dung phương pháp phần tử hữu hạn 26 2.2.2 Tính kết cấu theo mơ hinh tương thích 30 2.2.3 Giải hệ phương trình 37 2.2.3.1 Cách giải hệ phương trình phương pháp PTHH 37 2.2.3.2 Xử lý điều kiện biên 37 2.3.PHẦN TỬ BẬC CAO TRONG PHƯƠNG PHÁP 38 PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.3.1 Khái niệm phần tử bậc cao 38 2.3.2 Hệ tọa độ tự nhiên 39 -2- 2.3.2.1 Khái niệm hệ tọa độ tự nhiên 39 2.3.2.2 Toạ độ tự nhiên phần tử ba chiều 40 2.3.3 Phần tử lục diện bậc cao 20 điểm nút 40 2.3.4 Một số nét thuật tốn chương trình tính ma trận 43 độ cứng phần tử 2.4.PHẦN MỀM TÍNH TỐN 45 CHƯƠNG III: TÍNH TỐN KẾT CẤU BUỒNG XOẮN 49 TURBIN TRỤC ĐỨNG CƠNG TRÌNH SÊ SAN 3A 3.1 GIỚI THIỆU CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN SÊ SAN 3A 49 3.2 TÍNH TỐN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỔ ĐIỂN 54 3.3 TÍNH TỐN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH 64 3.3.1.Mục đích tính tốn 64 3.3.2.Thơng số ban đầu 64 3.3.2.1.Tiêu chuẩn tính tốn 64 3.3.2.2.Hệ số an toàn 64 3.3.2.3.Lực tác dụng 64 3.3.3.Mơ hình tính tốn 68 3.3.4.Kết tính tốn 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 -3- DANH MỤC CÁC HÌNH, BẢNG BIỂU Danh mục hình vẽ: Hình 1.1 Mặt cắt ngang nhà máy thuỷ điện lịng sơng Hình 1.2 Nhà máy thuỷ điện lịng sơng khơng kết hợp xả lũ qua đoạn tổ máy Hình 1.3 Nhà máy thuỷ điện thân đập tràn Hình 1.4 Nhà máy TĐ sau đập bê tơng trọng lực Hình 1.5 Sơ đồ bố trí nhà máy đường dẫn Hình 1.6 Giếng máy phát turbin Hình 1.7 Phạm vi ứng dụng kiểu buồng turbin Hình 1.8 Sơ đồ buồng xoắn Hình 3.2.1 Sơ đồ tính tốn kết cấu buồng xoắn - mặt cắt cửa vào buồng xoắn Hình 3.2.2 Sơ đồ tính chuyển tải trọng thân Hình 3.2.3 Sơ đồ khung Hình 3.2.4 Sơ đồ tải trọng tác dụng lên khung Hình 3.2.5 Tiết diện Hình 3.2.6 Biểu đồ mơ men đơn vị Hình 3.2.7 Biểu đồ mơ men Mp Hình 3.3 Sơ đồ nhà máy Hình 3.3.1 Sơ đồ hình học phần tử buồng xoắn Hình 3.3.2(TH1) Chuyển vị U x , m Hình 3.3.3(TH1) Chuyển vị U y, m Hình 3.3.4(TH1) Chuyển vị U z , m Hình 3.3.5(TH1) Chuyển vị tổng U sum , m Hình 3.3.6(TH1) Ứng suất σ x , T/m2 Hình 3.3.7(TH1) Ứng suất σ y, T/m2 Hình 3.3.8(TH1) Ứng suất σ z , T/m2 Hình 3.3.9(TH1) Ứng suất σ , T/m2 Hình 3.3.10(TH1) Ứng suất σ , T/m2 Hình 3.3.11(TH2) Chuyển vị U x , m -4- Hình 3.3.12(TH2) Chuyển vị U y, m Hình 3.3.13(TH2) Chuyển vị U z , m Hình 3.3.14(TH2) Chuyển vị tổng U sum , m Hình 3.3.15(TH2) Ứng suất σ x , T/m2 Hình 3.3.16(TH2) Ứng suất σ y, T/m2 Hình 3.3.17(TH2) Ứng suất σ z , T/m2 Hình 3.3.18(TH2) Ứng suất σ , T/m2 Hình 3.3.19(TH2) Ứng suất σ , T/m2 Danh mục bảng: Bảng 3.1 Các thông số tiêu cơng trình Sê San 3A Bảng 3.2 Quy mơ, khối lượng hạng mục cơng trình -5- MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết Đề tài: - Hiện nay, với nhu cầu dùng điện ngày tăng ngành công nghiệp đất nước sinh hoạt đời sống Nhân dân, việc phát triển thủy điện – nguồn lượng sạch, rẻ chiến lược hàng đầu Việt Nam Trong nhà máy thuỷ điện turbin trục đứng sử dụng chủ yếu cơng trình lớn nhiều cơnh trình nhỏ Việc nghiên cứu kết cấu khối bê tông quanh buồng xoắn nhà máy turbin trục đứng chưa thoả đáng cơng trình này, kết cấu chịu lực tổ máy có điều kiện làm việc ngoại lực phức tạp Sự cố buồng xoắn làm biến dạng đường dẫn nước vào, làm lệch trục tua bin - máy phát dẫn đến phá hoại tổ máy nói riêng nhà máy nói chung mức độ nghiêm trọng khơng lường hết được; - Việc nghiên cứu kết cấu buồng xoắn nhà máy thuỷ điện trước chủ yếu dựa vào mơ hình thí nghiệm hay áp dụng kết cấu cơng trình tương tự nên cịn nhiều hạn chế sở lập luận Đề tài luận văn sử dụng chương trình tính tốn đại với phương pháp nghiên cứu phân tích khoa học nhằm đưa kết xác rõ ràng trạng thái ứng suất, biến dạng buồng xoắn turbin trục đứng nhà máy thủy điện nhằm khắc phục tồn việc thiết kế kết cấu này; - Có nhiều phần mềm tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn Sap 2000, Ansys V10…nhưng phần mềm Ansys V10 công cụ mạnh kết kấu 3D nên việc lập mơ hình tính tốn cho giếng máy phát giếng turbin thích hợp Cơng tác tính tốn đồng thời sử dụng để tham khảo áp dụng tính tốn cho cơng trình tương tự -6- II Mục đích Đề tài: - Tính chất khác kết tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng phương pháp bố trí cốt thép phương pháp tính tốn cổ điển phương pháp PTHH với hỗ trợ chương trình đại máy tính điện tử - Đánh giá tính đắn kết tính tốn phương pháp từ nói lên tính ưu việt hạn chế phương pháp Đưa đạo phạm vi ứng dụng phương pháp tính toán điều kiện cụ thể khác cấu tạo hoạt động buồng xoắn turbin trục đứng Áp dụng cho cơng trình thủy điện Sê San 3A III Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu : - Nhà máy thuỷ điện có buồng xoắn turbin trục đứng (Sê San 3A) Phạm vi nghiên cứu : - Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng không gian khối bê tông bao quanh buồng xoắn nhà máy thuỷ điện turbin trục đứng đưa vào hoạt động (Sê San 3A) IV.Cách tiếp cận Phương pháp nghiên cứu : - Trên sở thu thập tài liệu, tìm hiểu cơng trình nghiên cứu; - Tìm hiểu tình hình làm việc buồng xoắn turbin trục đứng công trình thuỷ điện; - Tìm hiểu cơng dụng, ngun lý làm việc buồng xoắn, giếng máy phát, turbin; - Các sơ đồ lực không gian tĩnh động tác dụng lên loại buồng xoắn turbin trục đứng khác điều kiện làm việc khác ; - Các phương pháp nghiên cứu cổ điển kết cấu buồng xoắn turbin trục đứng nhà máy thủy điện ; -7- - Dùng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) với trợ giúp chương trình tính tốn đại máy tính điện tử (MTĐT) phương pháp cổ điển để tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng buồng xoắn turbin trục đứng nhà máy thủy điện số cơng trình đưa vào hoạt động; - So sánh kết tính tốn nói hai phương pháp cổ điển đại V.Kết dự kiến đạt - Lập mơ hình tính tốn theo thuật tốn phương pháp PTHH - Tính chất khác kết tính toán trạng thái ứng suất biến dạng phương pháp bố trí cốt thép phương pháp tính tốn cổ điển phương pháp PTHH với hỗ trợ chương trình đại máy tính điện tử - Đánh giá tính đắn kết tính tốn phương pháp từ nói lên tính ưu việt hạn chế phương pháp Đưa đạo phạm vi ứng dụng phương pháp tính tốn điều kiện cụ thể khác cấu tạo hoạt động buồng xoắn turbin trục đứng -8- CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 1.1.TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN Nhà máy thủy điện cơng trình thủy cơng bố trí thiết bị động lực (turbin, máy phát điện ) hệ thống thiết bị phụ phục vụ cho làm việc bình thường thiết bị nhằm sản xuất điện cung cấp cho hộ dùng điện Có thể nói xưởng sản xuất điện cơng trình thủy điện Loại kết cấu nhà máy phải đảm bảo làm việc an toàn thiết bị thuận lợi vận hành Nhà máy thủy điện chia thành loại bản: Nhà máy thủy điện lịng sơng: Nhà máy thủy điện lịng sơng xây dựng sơ đồ khai thác thủy kiểu đập có cột nước khơng q 35 – 40m Bản thân nhà máy phần cơng trình dâng nước, thay cho phần đập dâng Cửa lấy nước thành phần cấu tạo thân nhà máy Vị trí nhà máy nằm lịng sơng -9- Hình 1.1 Mặt cắt ngang nhà máy thuỷ điện lịng sơng Hình 1.2 Nhà máy thuỷ điện lịng sơng khơng kết hợp xả lũ qua đoạn tổ máy - 10 - Hình 1.3 Nhà máy thuỷ điện thân đập tràn - Nhà máy thủy điện sau đập: Nhà máy thủy điện sau đập bố trí sau đập dâng Khi cột nước cao 30 – 45m thân nhà máy lý ổn định cơng trình khơng thể thành phần cơng trình dâng nước trường hợp tổ máy công suất lớn Nếu đập dâng nước đập bê tơng trọng lực CLN - 74 - Hình 3.3.6(TH1) Ứng suất σ x , T/m2 Hình 3.3.7(TH1) Ứng suất σ y, T/m2 - 75 - Hình 3.3.8(TH1) Ứng suất σ z , T/m2 - 76 - Hình 3.3.9(TH1) Ứng suất σ , T/m2 Hình 3.3.10(TH1) Ứng suất σ , T/m2 - 77 - Kết tín tốn trường hợp 2: Hình 3.3.11(TH2) Chuyển vị U x , m Hình 3.3.12(TH2) Chuyển vị U y, m - 78 - Hình 3.3.13(TH2) Chuyển vị U z , m - 79 - Hình 3.3.14(TH2) Chuyển vị tổng U sum , m Hình 3.3.15(TH2) Ứng suất σ x , T/m2 - 80 - Hình 3.3.16(TH2) Ứng suất σ y, T/m2 Hình 3.3.17(TH2) Ứng suất σ z , T/m2 - 81 - Hình 3.3.18(TH2) Ứng suất σ , T/m2 Hình 3.3.19(TH2) Ứng suất σ , T/m2 - 82 - Kết luận: Từ kết phương pháp tính tốn cổ điển (mục 3.2) so sánh với kết phương pháp phần tử hữu hạn thiết kế kỹ thuật cơng trình lớn khoảng 30%; Từ kết phương pháp phần tử hữu hạn (mục 3.3) so sánh với kết thiết kế kỹ thuật công trình phù hợp với cơng trình vận hành bình thường - 83 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I Những kết đạt Tổng quan nhà máy thuỷ điện Trình bầy phương pháp tính tốn hành Tính tốn theo phương pháp cổ điển nhằm hiểu rõ chất làm việc kết cấu sở lý luận bổ trợ phương pháp tính phần tử hữu hạn Ứng dụng cơng nghệ tính tốn đại phương pháp phần tử hữu hạn, đặc biệt có sử dụng phần tử bậc cao Sử dụng phần mềm tính tốn đại giải tốn khơng gian-phần mềm Ansys, xét ảnh hưởng lực động đất Lập mơ hình tính tốn theo thuật toán phương pháp PTHH Xác định trạng thái ứng suất - biến dạng buồng xoắn có kể tới tác dụng động đất Từ kết rút nhận xét để khuyến nghị cho sở thiết kế Cơng việc tính tốn nhiều nên dùng phần tử bậc cao giảm số phần tử mà kết xác tiếp kiệm khối lượng thời gian tính tốn So sánh kết tính tốn phương pháp cổ điển phương pháp phần tử hữu hạn: Từ kết tính tốn phương pháp cổ điển trình bày chương II kết tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn trình bày chương III, thấy kết tính tốn từ mơ hình 3D phương pháp phần tử hữu hạn cho kết nhỏ khoảng 30% so với phương pháp cổ điển Kết - 84 - phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng mơ hình 3D tối ưu hố việc tính tốn kết cấu buồng xoắn sát với thực tế Những tồn trình thực luận văn: II Mới nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng buồng xoắn turbin trục đứng chịu tác động động đất theo phương pháp hệ số mà chưa tính tốn phương pháp phổ động đất Mới tính tốn tĩnh lực bệ máy mà chưa tính tốn động lực bệ máy như: kiểm tra cộng hưởng, kiểm tra biên độ dao động Do chưa đủ thời gian nên luận văn chưa tính tốn với loại phần tử bậc thấp để so sánh kết III Những kiến nghị hướng nghiên cứu Nghiên cứu cứu trạng thái ứng suất biến dạng buồng xoắn turbin trục đứng chịu tác động phổ động đất động lực bệ máy - 85 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Cảnh Cầm, Vũ Văn Tảo nnk (2006) - Thủy lực I - Nhà xuất Nông Nghiệp, Hà Nội Nguyễn Cảnh Cẩm, Nguyễn Văn Cung, Lưu Công Đào nnk (2006) Thủy lực II - Nhà xuất Nông Nghiệp, Hà Nội Hồ Sỹ Dự, Nguyễn Duy Hạnh, Huỳnh Tấn Lượng, Phan Kỳ Nam (2003) – Cơng trình trạm thuỷ điện – Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội Nghiêm Hữu Hạnh - Cơ Học Đá - Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội 2004 Hướng dẫn thiết kế Trạm thuỷ điện - Viện thiết kế Thuỷ công Liên Xô (1977) - Phân viện Lêningrad - Nhà xuất Nông Nghiệp Phạm Ngọc Khánh, Nguyễn Công Thắng (1999) – Phương Pháp Số - Nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ, Hà Nội P.G.Kixelep (1984) - Cẩm nang tính tốn thủy lực (Lưu Cơng Đào, Nguyễn Tài dịch từ tiếng Nga) - Nhà xuất Nông Nghiệp, Hà Nội Nguyễn Văn Mạo (2010) - Đập bê tông bê tông cốt thép (bài giảng sau đại học) - Trường đại học thuỷ lợi, Hà Nội Phạm Phụ (1972) - Cơ sở lượng Trạm thuỷ điện - Nhà xuất Bản Đại học Trung học chuyên nghiệp - Hà Nội 10 Nguyễn Cảnh Thái (2003) - Thiết kế đập vật liệu địa phương (Bài giảng cao học) - Trường đại học thuỷ lợi, Hà Nội 11 Trịnh Minh Thụ (2009)- Giới thiệu Địa Kỹ Thuật - Trường đại học thuỷ lợi, Hà Nội 12 Hồng Đình Trí, Đồn Hữu Quang, Lý Trường Thành, Dương Văn Thứ, Phạm Khắc Thưởng (1999) - Giáo trình học kết cấu - Nhà xuất Nông Nghiệp, Hà Nội - 86 - 13 Ngơ Trí Viềng, Nguyễn Chiến nnk (2004) - Thủy công tập I - Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội 14 Ngơ Trí Viềng, Phạm Ngọc Q nnk (2004) - Thủy công tập II - Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội Tiếng Anh 15 Armer GST and Gams F.K – Design for dynamic loading the use of model analysis - Conatruction Press London and New York 1982 16 I.C Cormeau - Viscoplasticity and Plasticity anh Plastity in the finite element method – Division of Civil Engineering University College of Swanses – 1976 17 A.J Davies - The finite element method : A first approach - Clarendor press - Oxford - 1980 18 R.W Daniels - An introduction to numerical methods and optimization techniques - North Holland - New Yord 1978 19 Guthrie Brown J - Hvdroelectric Engineering practice - Volume II London - Blackie 1958 20 C Humpheson - Finite element analvsis of elasto/visco - plastic soils School of Engineering Division of Civil Engineering University College of Swanses – 1976 21 Novak P and Cabelka J - Mode in hydraulic Engineering phvsical principles and design applications - Pitman advanced publishing Program Boston - London - Melbourne 1981 22 J.T Oden - The finite element of nonlinear continus - Mc Graw -Hill book company – 1972 23 E.I Organick - A Fortran IV primer - Addison Wesley Publishing Company - Printed in the United of America August 1967 - 87 - 24 M.F Rubinstenin - Matrix computer analysis of structures - Prentice Hall, INC Englewood Cliffs, New Jersey 1966 25 T.R Tauchert – Energy principles in structural mechanics – Mc Graw – Hill book Company 1974 26 J.R Whiteman – The mathematics of finite elements and Applications II – MAFEAP 1972- Academic Press London 1976 27 O.C Zienkiewicz – The finite element method in the struc-tural and continuum Mechanics – Mc Graw – Hill pullishing Company Limised – 1967 28 O.C Zienkiewicz – The finite element method in the Engineering science – Mc Graw - Hill pullishing Company Limised – 1967 29 Leslaw brunarski Mark Kwiecinski – Wstep Teoril sprezystosci i plastycznosci - Wydawnictwa politechniki Warszawlciej 1972 30 Maria Ptaszynska, Woloczkowicz – Analiza Wplywu obciazen dynamicznych na stateczosc Walow osadnikow przemyslowuch-International Journal of Mechanical Sciences – Perganon Press – Oxford – New York – Brannsch Weig: September 1972 31 Ven Te Chow (1959) - Open Channel Hydraulics - McGraw-Hill Companies, United States of America 32 Fuat Senturk, Ph.D (1989) - Hydraulic of Dams and Reservoirs, Water Resources Publications - United States of America 33 Henry M Morris (1963) - Applied Hydraulics in Engeineering, Ronald press Company - United States of America 34 Larry W.Mays (1999) - Hydraulic Desing Handbook, Department of Civil and Environmental Engnnering Arizonal State University Tempe, Arizonal United States of America 35 McGraw-Hill Companies (1996), Handbook of Hydraulics (Seventh Edition) - 88 - Tiếng Nga 36 X.M Xliki (1986) - Tính tốn thuỷ lực cơng trình thuỷ cơng xả nước (Bản tiếng Nga) - Nhà xuất lượng nguyên tử Moskva 37 R Tchoufaev (1982) - Thuỷ lực, (Bản tiếng Nga) - Nhà xuất lượng- chi nhánh Lenigrad ... nghiên cứu : - Nhà máy thuỷ điện có buồng xoắn turbin trục ? ?ứng (Sê San 3A) Phạm vi nghiên cứu : - Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng không gian khối bê tông bao quanh buồng xoắn nhà máy thuỷ... CƠNG TÁC NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN KẾT CẤU BUỒNG XOẮN TURBIN TRỤC ? ?ỨNG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 2.1.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG Hiện nay, có nhiều phương pháp để xác định ứng suất biến dạng cơng... Việt Nam Trong nhà máy thuỷ điện turbin trục ? ?ứng sử dụng chủ yếu cơng trình lớn nhiều cơnh trình nhỏ Việc nghiên cứu kết cấu khối bê tông quanh buồng xoắn nhà máy turbin trục ? ?ứng chưa thoả đáng