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 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 sâu sắc nhất, xin trân trọng cảm ơn cô giáo NGƯT.PGS.TS ĐOÀN THỊ TUYẾT NGỌC, người trực tiếp bảo, hướng dẫn khoa học giúp đỡ suốt trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Khoa sau đại học nhà trường thầy cô giáo, người trang bị kiến thức cho suốt trình học tập Xin chân thành cảm ơn tất bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ nhiệt tình đóng góp nhiều ý kiến quý báu để hoàn thành luận văn TÁC GIẢ LUẬN VĂN ĐÀO HẢI ĐẠT LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ công trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng TÁC GIẢ LUẬN VĂN ĐÀO HẢI ĐẠT 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 ứng dụng Turbine điện gió giới 1.2 Ứng dụng Turbine điện gió Việt Nam 1.3 Giới thiệu Turbine điện gió 10 1.3.1 Cấu tạo Turbine điện gió 10 1.3.2 Vật liệu sử dụng chế tạo Turbine điện gió 11 1.3.3 Cơ chế làm việc Turbine điện gió 12 Mục đích nghiên cứu luận văn 12 1.4 CHƯƠNG II : NGUYÊN LÝ, CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN TURBINE 13 ĐIỆN GIÓ 2.1 Các phận Turbine điện gió 13 2.2 Những tải trọng tác dụng lên phận công trình 17 2.2.1 Tải trọng tĩnh 2.2.2 Hoạt tải 17 `18 2.2.3 Tải trọng đặc biệt 2.3 Các phương pháp tính toán tải trọng tổ hợp tải trọng 18 2.3.1 Phương án A1 19 2.3.2 Phương án A2 19 2.3.3 Phương án A3 2.4 Xác định tải trọng dài hạn, ngắn hạn lên phận Turbine 19 20 điện gió 2.4.1 Quy ước hệ trục tọa độ tính toán 22 2.4.2 Trọng lượng thân cánh quạt 22 2.5 Tính toán kiểm tra bền, ổn định cho thân tháp 36 2.5.1 Kiểm tra bền thân tháp 36 2.5.2 Kiểm tra ổn định tổng thể thân tháp 36 2.5.3 Kiểm tra chuyển vị đỉnh tháp 37 CHƯƠNG VÍ DỤ TÍNH TOÁN 38 3.1 Các số liệu 38 3.2 Các giả thiết tính toán 39 3.3 Các tải trọng gió thành phần tác dụng lên hộp trục qua tâm quạt 39 3.4 Tải trọng quán tính sinh quay quạt 42 3.5 Trọng lượng thân quạt hộp quạt 44 3.6 Tải trọng thân cột turbine 44 3.7 Tải trọng gió tác đụng lên tháp 47 3.8 Tính tải trọng động đất 50 3.9 Tổ hợp tải trọng tác dụng vị trí thân tháp turbine để kiểm tra bền ổn định 51 3.10 Kiểm tra bền ổn định thân tháp turbine 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO CÁC KÝ HIỆU Dg1, Dg2 Đường kính gốc Dn1, Dn2 Đường kính Dtb Đường kính trung bình đoạn nối Knối Db Da Dbl Hệ số nối (từ 2,5 – 3) Đường kính mặt bích Đường kính mặt bích Đường kính vành đai bu lông tmb mBK g     Z Cxp WBK R VP Chiều dày mặt bích Khối lượng quạt Gia tốc rơi tự Góc nghiêng cánh quạt theo phương ngang Góc lệch cánh quạt xoay theo trục dọc Góc cánh quạt với trục Rotor Góc hướng gió với trục X Tốc độ quay quạt Hệ số cản diện quạt Tần số quay quạt Bán kính quạt Vận tốc gió theo công suất turbine gió góc xoay  cánh quạt Tỷ trọng không khí Hệ số áp lực động tải trọng gió Hệ số tương quan áp lực động Vận tốc góc định mức quạt (Rad/s) Vận tốc góc quay cánh quạt quanh trục Z Momen quán tính độc cực cánh quạt theo trục quay Momen quán tính khối lượng cánh quạt theo trục trọng tâm vuông góc với mặt phẳng cánh quạt Khoảng cách từ trục quay quạt đến trọng tâm cánh quạt Độ lệch tâm Trọng lượng riêng vật liệu làm tháp Bán kính trung bình đoạn tháp ζ ς ν ωBK ωz BK 0,1 rπ e  R ti hi qcz k γf Wo ki cxi Cx  Chiều dầy đoạn ống Chiều cao đoạn ống Tải trọng gió tĩnh độ cao Z Hệ số tương đương quy đổi tải trọng gió động tĩnh Hệ số độ tin cậy tải trọng gió Áp lực gió tiêu chuẩn phụ thuộc vào vùng xây dựng Hệ số độ cao ứng với đoạn tháp Hệ số cản diện với thép ống cxi = ko.Cx  Dki k Tc Đường kính trung bình đoạn thân tháp Được xác định tương tự phần quạt Giới hạn chu kỳ ứng với đoạn nằm ngang phổ phản ứng gia tốc Tung độ phổ thiết kế không thứ nguyên Chu kỳ dao động công trình Tổng trọng lượng công trình móng Khối lượng riêng móng khối lượng riêng đất Sd (T1) T1 W PPxф , PPz,zp Pc Kp ω1t P A Mx My Ix Iy Cx Cy V Q I T J Phụ thuộc vào hệ số Raynolds ( Re )  ( độ xù xì bề mặt ) H Tải trọng gió tĩnh Hệ số biên độ Tần số dao động riêng thứ turbine điện gió Lực dọc ( N ) Tiết diện ngang ( mm2) Momen uốn quanh trục X-X Momen uốn quanh trục Y-Y Momen quán tính quanh trục X-X Momen quán tính quanh trục Y-Y Khoảng cách từ trục X-X đến điểm tính ứng suất Khoảng cách từ trục Y-Y đến điểm tính ứng suất Tổng lực cắt ( N ) Momen tĩnh tiết diện quanh trục trung hòa Momen quán tính tiết diện Momen xoắn Momen quán tính xoắn tiết diện ngang DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU Số hiệu bảng Bảng 1-1 Tên bảng Công suất định mức lượng gió nước giới năm 2007 Bảng 1-2 Công suất định mức lắp đặt Đức năm 2004 Bảng 1-3 Công suất định mức lắp đặt Áo năm 2004 Bảng 1-4 Công suất định mức lắp đặt Pháp năm 2004 Bảng 3-1 Lực tính toán đầu quạt, hộp trục Bảng 3-2 Lực mô men tác dụng lên điểm thân turbine Bảng 3-3 Tải trọng gió thân turbine theo phương án A1 Bảng 3-4 Tải trọng gió thân turbine theo phương án A2 Bảng 3-5 Tải trọng gió thân turbine theo phương án A3 Bảng 3-6 Nội lực thân turbine theo phương án A1 Bảng 3-7 Nội lực thân turbine theo phương án A2 Bảng 3-8 Nội lực thân turbine theo phương án A3 Bảng 3-9 Các đặc trưng hình học tiết diện turbine Bảng 3-10 Ứng suất kết hợp thân turbine theo phương án A1, A2, A3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu bảng Hình 1-1 Hình 1-2 Hình 1-3 Hinh 1-4 Hình 2-1 Hình 2-2 Hình 2-3 Hình 2-4 Hình 2-5 Hình 2-6 Hình 2-7 Hình 2-8 Hình 2-9 Hình 2-10 Hình 2-11 Tên bảng Một số hình ảnh turbine điện gió giới Công xuất điện gió giới thời gian 1996-2008 Hình ảnh turbine điện gió Việt Nam Năm tổ máy nhà máy điện gió tầm cỡ MW Việt Nam Cấu tạo turbine điện gió Hộp chứa thiết bị Mô tả sơ đồ hệ trục tọa độ, thể lực tác động lên vào cánh quạt lên hộp trục tháp Sơ đồ trục tọa độ cánh quạt tháp Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng góc nghiêng với hướng gió Đồ thị biểu diễn quan hệ tốc độ quay quạt C *xp Biểu đồ biểu diễn quan hệ hệ số khí động lực với tốc độ quay quạt Hình chiếu lực li tâm tương ứng với góc quay quạt Hệ trục tọa độ ứng với đoạn phân chia tháp Hệ trục tọa độ ác lực tác động mặt móng Hệ trục tọa độ lực tác dụng đất PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nhu cầu điện nước toàn giới không ngừng tăng, nguồn nhiên liệu than khí đốt cho nhiệt điện không dồi gây khó khăn lớn cho việc khắc phục ô nhiễm môi trường nặng nề Thủy điện lớn đến lúc cạn kiệt, điện hạt nhân đóng vai trò lớn nhiên xảy cố gây hậu khó lường Hiện nguồn lượng tái tạo lên nguồn cứu cánh Bên cạnh điện mặt trời, điện gió nguồn đáp ứng thiếu cho nhiều nước giới, có Việt Nam Nước ta nước có chiều dài ven biển lớn,nguồn điện nước ta sử dụng phần lớn từ thủy điện mà bỏ qua nguồn tài nguyên gió chưa khai thác tận dụng tận dụng nguồn tài nguyên có ích cho việc sản xuất điện cho vùng sâu xa sông ngòi Do đề tài “ Nghiên cứu cấu tạo tính toán turbine điện gió” hướng đến giải pháp tận dụng nguồn tài nguyên gió đến sản xuất điện góp phần giải nhu cầu sử dụng điện ngày tăng cao nước ta Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu áp dụng turbine điện gió vùng miền biển nước ta Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Tính toán cấu tạo turbine điện gió - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cấu tạo, thiết kế, vật liệu phần thân Turbine điện gió ( tính toán bền, ổn định ) Phương pháp nghiên cứu ` - Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa, thu thập tài liệu; - Phương pháp nghiên cứu tài liệu sẵn có để từ đưa nguyên lý cấu tạo, tính toán áp dụng turbine điện gió Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn : tìm hiểu nghiên cứu hoạt động, cấu tạo tình toán turbine điện gió từ áp dụng lên địa hình, vị trí cần thiết kế Việt Nam Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, nội dung luận văn có ba chương gồm có: - Chương I : Tổng quan ứng dụng Turbine điện gió giới Việt Nam - Chương II : Nguyên lý cấu tạo,tính toán Turbine điện gió - Chương III : Ví dụ tính toán ` THÔNG BÁO Để xem phần văn 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 Email: digilib.hau@gmail.com TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Turbine điện gió phận tạo lượng điện, sử dụng Việt Nam Thân cánh quạt turbine nhập công ty nhà sản xuất cung cấp Cấu tạo turbine điện gió gồm phần : cánh quạt, hộp chứa thiết bị, tháp chịu lực, bu lông neo móng Cánh quạt thường có cánh, tiết diện không thuôn có độ nghiêng Tháp có dạng : dạng rỗng làm từ thép dạng trụ có độ thuôn làm từ thép ống Các đoạn ống lồng vào lắp ráp thông qua mặt bích bu lông Móng thường móng cọc ép cọc nhồi Xác định tải trọng lên turbine gió phức tạp, tải trọng tác dụng lên quạt phụ thuộc vào trọng lượng cánh quạt, tốc độ quay quạt, vận tốc gió theo công suất turbine, góc xoay cánh quạt Tải trọng gió tính theo phương án : + Phương án B1 : Tải trọng gió lên cánh, tháp turbine cánh quạt quay với tốc độ tính toán có dạng : tính toán tải trọng gió có thành phần áp lực xung tính toán tải trọng gió thành phần áp lực xung + Phương án B2 : Tải trọng gió lên turbine giá trị gió lớn ( có bão ) cánh quạt ngừng quay Tải trọng động đất tính đến dạng dao động Tổ hợp tải trọng để tính cho bền ổn định có phương án ` 63 + Phương án A1 : Turbine gió làm việc, 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 làm việc, gió không kể đến áp lực xung Khi tính đến tổ hợp động đất hệ số tổ hợp : tải trọng dài hạn nc = 0,9 ngắn hạn 0,8 động đất Tính toán lún, độ nghiêng thực với tổ hợp tải trọng phương án A1 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 Việt Nam cho phù hợp có hiệu Tính toán kiểm tra turbine điện gió cần có thêm kiểm tra lún, mỏi vấn đề phần nâng cao thêm luận văn ` TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG NGA СниП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР М.,1987 СНиП II-23-81* Стальные конструкции / ЦИТП М., 1990 СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений / Госкомитет СССР по делам строительства М., 1985 Справочник по динамике сооружений/ Под Ред Б.Г Коренева и И.М.Рабиновича М., Стройиздат., 1972 Ветроэнергетическая установка мощностью 1000 кВт «Радуга-1» Эскизный проект Ч.2, кн.5 Нагрузки, прочность, тепловые расчеты/ МКБ «Радуга», 1990 Robert Gach Windkraftanlagen / B.G Teubner Stutgart, 1993 Елистратов В В., Константинов И А., Панфилов А А Динамические расчеты системы «ветроэнергетическая установкафундамент-основание» Учеб Пособие СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999 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 TCVN 2737:2012 Tải trọng tác động tiêu chuẩn thiết kế 10 Phạm Văn Hội tác giả khác Kết cấu thép công trình dân dụng công nghiệp  ... tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Tính toán cấu tạo turbine điện gió - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cấu tạo, thiết kế, vật liệu phần thân Turbine điện gió ( tính toán bền, ổn... chế tạo Turbine điện gió 11 1.3.3 Cơ chế làm việc Turbine điện gió 12 Mục đích nghiên cứu luận văn 12 1.4 CHƯƠNG II : NGUYÊN LÝ, CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN TURBINE 13 ĐIỆN GIÓ 2.1 Các phận Turbine điện. .. DỤNG TURBINE ĐIỆN GIÓ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1 Tổng quan ứng dụng Turbine điện gió giới 1.2 Ứng dụng Turbine điện gió Việt Nam 1.3 Giới thiệu Turbine điện gió 10 1.3.1 Cấu tạo Turbine điện gió