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 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

ĐÀO HẢI ĐẠT


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.

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 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.

10

1.3.2 Vật liệu sử dụng chế tạo Turbine điện gió

11

1.3.3 Cơ chế làm việc của Turbine điện gió.

12

Mục đích nghiên cứu của luận văn.

12

1.4.

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

13

ĐIỆN GIÓ.
2.1. Các bộ phận của Turbine điện gió.

13

2.2. Những tải trọng tác dụng lên bộ phận công trình.

17

2.2.1 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 và 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 các tải trọng dài hạn, ngắn hạn lên các bộ phận của Turbine

19

20

điện gió.
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.

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 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN

38

3.1 Các số liệu.

38

3.2 Các giả thiết trong 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 ra bởi sự quay của quạt.

42

3.5 Trọng lượng bản thân của quạt và 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 do động đất.

50

3.9 Tổ hợp tải trọng tác dụng tại các vị trí trên thân tháp turbine để kiểm
tra bền và 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 ngọn.

Dtb

Đường kính trung bình đoạn nối.

Knối
Db
Da
Dbl

Hệ số nối (từ 2,5 – 3)
Đường kính ngoài của mặt bích
Đường kính trong của mặt bích
Đường kính vành đai bu lông

tmb
mBK
g




Z
Cxp
WBK
R
VP

Chiều dày tấm mặt bích .
Khối lượng quạt
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.
Tốc độ quay của quạt.
Hệ số cản chính diện của quạt.
Tần số quay của quạt.
Bán kính quạt
Vận tốc gió theo công suất của turbine gió và góc xoay  của cánh
quạt.
Tỷ trọng không khí.
Hệ số áp lực động của tải trọng gió
Hệ số tương quan áp lực động
Vận tốc góc định mức của quạt (Rad/s)
Vận tốc góc quay của cánh quạt quanh trục Z
Momen quán tính độc cực của cánh quạt theo trục quay của nó.
Momen quán tính của khối lượng cánh quạt theo trục trọng tâm
vuông góc với mặt phẳng cánh quạt.
Khoảng cách từ trục quay của quạt đến trọng tâm của cánh quạt.
Độ lệch tâm.
Trọng lượng riêng của vật liệu làm tháp.
Bán kính trung bình của các đoạn tháp.

ζ
ς
ν
ωBK
ωz
BK
0,1
rπ

e


R


ti
hi
qcz
k
γf
Wo
ki
cxi
Cx 

Chiều dầy các đoạn ống
Chiều cao các đoạn ống
Tải trọng gió tĩnh ở độ cao Z
Hệ số tương đương quy đổi của tải trọng gió động về tĩnh
Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió.
Áp lực gió tiêu chuẩn phụ thuộc vào vùng xây dựng.
Hệ số độ cao ứng với từng đoạn tháp.
Hệ số cản chính diện với thép ống cxi = ko.Cx 

Dki
k
Tc

Đường kính trung bình của đoạn thân tháp.

Được xác định tương tự như ở phần quạt.
Giới hạn trên của chu kỳ ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản
ứng gia tốc.
Tung độ của phổ thiết kế không thứ nguyên.
Chu kỳ dao động cơ bản của công trình.
Tổng trọng lượng của công trình ở trên móng.
Khối lượng riêng của móng và khối lượng riêng của 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 ) và


( độ xù xì bề mặt ).
H

Tải trọng gió tĩnh
Hệ số biên độ
Tần số dao động riêng thứ 1 của 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 chính tiết diện.
Momen xoắn.
Momen quán tính xoắn của tiết diện ngang.


DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU

Số hiệu bảng
Bảng 1-1

Tên bảng
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 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 của turbine điện gió trên thế giới
Công xuất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2008
Hình ảnh turbine điện gió tại Việt Nam
Năm tổ máy của nhà máy điện gió tầm cỡ MW đầu tiên ở Việt
Nam
Cấu tạo turbine điện gió
Hộp chứa thiết bị
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
Sơ đồ trục tọa độ của cánh quạt và tháp
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của góc nghiêng với hướng gió
Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa tốc độ quay của quạt và C *xp
Biểu đồ biểu diễn quan hệ của hệ số khí động lực với tốc độ

quay của quạt
Hình chiếu của lực li tâm tương ứng với góc quay của quạt
Hệ trục tọa độ ứng với đoạn phân chia của tháp
Hệ trục tọa độ và ác lực tác động trên mặt móng
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.
Email:

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 установкафундамент-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.