“Phân tích động học phần dưới nước nhà máy thủy điện”.

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, thực hiện, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ
thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài: “Phân tích động học phần
dưới nước nhà máy thủy điện”.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Trịnh Quốc Công,
Bộ môn Thủy điện và NLTT Trường Đại học thủy lợi đã trực tiếp tận tình hướng
dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, khoa
Công trình và khoa Năng Lượng Trường Đại học thủy lợi cùng các thầy giáo, cô
giáo đã tham gia giảng dạy và tận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức trong suốt thời
gian tác giả học tập chương trình Cao học của trường Đại học thủy lợi, cũng như
trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo, Cán bộ, công nhân viên Công ty
CP tư vấn thiết kế Thủy Điện Miền Bắc, bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã tận tình
giúp đỡ trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này.
Do còn hạn chế về trình độ chuyên môn, cũng như thời gian có hạn, nên
trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả không tránh khỏi một số sai sót. Tác giả
mong muốn tiếp tục nhận được chỉ bảo của các thầy, cô giáo và sự góp ý của các
bạn bè đồng nghiệp.
Mọi chi tiết xin liên hệ hoặc Số điện thoại:
0906137817.
Tác giả chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng… năm 2011
Tác giả

Vũ Văn Cương


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

1

1

Tính cấp thiết của đề tài

2

2

Mục đích của đề tài

2

3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2

4

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

2

CHƯƠNG 1:

4

TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN (NMTĐ)
1.1

Tổng quan về nhà máy thủy điện

4

1.2

Yêu cầu về tính toán ổn định và độ bền nhà máy

12

Các nghiên cứu về phân tích động học cho NMTĐ ở Việt Nam và

13

1.3

trên thế giới

1.4

Tóm tắt nội dung chương 1
CHƯƠNG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CÔNG TRÌNH

14
15

2.1

Phương trình vi phân mô tả chuyển vị nhà máy

15

2.2

Phân tích hình dạng Mode của dao động phần dưới nước nhà

18

máy thủy điện
2.3

Các phương pháp động học phần dưới nước NMTĐ

19

2.4

Nội dung phương pháp lịch sử thời gian

21

2.5

Tóm tắt nội dung chương 2

24

CHƯƠNG 3:
LẬP BÀI TOÁN PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC PHẦN NGẦM NMTĐ
CHỊU TÁC DỤNG CỦA LỰC DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC DO SỰ

26

LỆCH TÂM BỘ PHẬN QUAY TỔ MÁY GÂY RA.
3.1
3.1.1
3.1.2

Tài liệu tính toán
Tài liệu về địa chất khu vực xây dựng nhà máy thủy điện
Đam’Bri
Sơ đồ hình học nhà máy thủy điện Đam’Bri

26
27
27


3.1.3
3.2

Các thông số kỹ thuật chính của Tuabin và máy phát
Các lực tác dụng và tổ hợp tính toán

31

32

3.2.1

Xác định các tải trọng tĩnh

32

3.2.2

Xác định các tải trọng động

32

3.2.3

Tổ hợp tính toán

33

3.3

Xây dựng mô hình

33
CHƯƠNG 4:

36

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN.

4.1

Hình dạng dao động của nhà máy ứng với các dạng dao động

36

4.2

Tần số dao động riêng

51

4.3

Trạng thái ứng suất biến dạng dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng

51

tĩnh
4.4

Trạng thái ứng suất biến dạng có xét đến tải trọng động cưỡng bức

55

4.5

Phân tích ảnh hưởng của tải trọng động đến trạng thái ứng suất

66

biến dạng
4.6

Kiểm tra cộng hưởng

72

4.7

Kiểm tra biên độ dao động của bệ máy

73

CHƯƠNG 5:
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

75

5.1

Kết quả đạt được

75

5.2

Vấn đề tồn tại và phương hướng nghiên cứu tiếp theo

75

5.3

Kiến nghị

76
TÀI LIỆU THAM KHẢO

78


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Chương 3:
Bảng 3.1: Thông số chính công trình thủy điện ĐaM Bri
Bảng 3.2: Các đặc trưng cơ lý của đá nền
Bảng 3.3: Các đặc trưng cơ lý của bê tông
Chương 4
Bảng 4.1: Tần số dao động riêng của bệ máy
Bảng 4.2: Chuyển vị của bệ máy phát
Bảng 4.3: Ứng suất của bệ máy phát
Bảng 4.4: Biên độ dao động của bệ máy phat


DANH MỤC HÌNH VẼ
Chương 1:
Hình 1.1: Thiết bị phần dưới nước nhà máy thủy điện tuabin trục đứng
Hình 1.2: Bệ máy phát nhà máy thủy điện tuabin trục đứng
Hình 1.3: Buồng xoắn của nhà máy thủy điện tuabin trục đứng
Hình 1.4: Ống hút của nhà máy thủy điện tuabin trục đứng
Hình 1.5: Mặt cắt nhà máy thủy điện ngang đập Nậm Na 1

Hình 1.6: Mặt cắt nhà máy thủy điện sau đập Đồng Nai 2
Hình 1.7: Mặt cắt nhà máy thủy điện đường dẫn tuabin trục ngang Nậm Ban 1
Hình 1.8: Mặt cắt nhà máy thủy điện đường dẫn tuabin trục đứng Nho Quế 3
Chương 3:
Hình 3.1 Mặt cắt ngang qua tim 1 tổ máy ( song song dòng chảy) nhà máy thủy
điện ĐaMBri
Hình 3.2: Mặt cắt ngang qua tim 2 tổ máy (vuông góc dòng chảy) thủy điện
ĐaMBri
Hình 3.3: Mặt bằng cao trình 191.60 m nhà máy thủy điện ĐaMBri
Hình 3.4: Mặt bằng cao trình 187.50 m nhà máy thủy điện ĐaMBri
Hình 3.5: Mô hình nhà máy 3DSolid.
Chương 4:
Hình 4.1: Hình dạng dao động theo phương x ( Mode 1)
Hình 4.2: Hình dạng dao động theo phương y ( Mode 1)
Hình 4.3: Hình dạng dao động theo phương z ( Mode 1)
Hình 4.4: Hình dạng dao động theo phương x ( Mode 2)
Hình 4.5: Hình dạng dao động theo phương y ( Mode 2)
Hình 4.6: Hình dạng dao động theo phương z ( Mode 2)
Hình 4.7: Hình dạng dao động theo phương x ( Mode 3)
Hình 4.8: Hình dạng dao động theo phương y ( Mode 3)


Hình 4.9: Hình dạng dao động theo phương z ( Mode 3)
Hình 4.10: Hình dạng dao động theo phương x ( Mode 4)
Hình 4.11: Hình dạng dao động theo phương y ( Mode 4)
Hình 4.12: Hình dạng dao động theo phương z ( Mode 4)
Hình 4.13: Hình dạng dao động theo phương x ( Mode 5)
Hình 4.14: Hình dạng dao động theo phương y ( Mode 5)
Hình 4.15: Hình dạng dao động theo phương z ( Mode 5)
Hình 4.16: Hình dạng dao động theo phương x ( Mode 6)

Hình 4.17: Hình dạng dao động theo phương y ( Mode 6)
Hình 4.18: Hình dạng dao động theo phương z ( Mode 6)
Hình 4.19: Hình dạng dao động theo phương x ( Mode 7)
Hình 4.20: Hình dạng dao động theo phương y ( Mode 7)
Hình 4.21: Hình dạng dao động theo phương z ( Mode 7)
Hình 4.22: Hình dạng dao động theo phương x ( Mode 8)
Hình 4.23: Hình dạng dao động theo phương y ( Mode 8)
Hình 4.24: Hình dạng dao động theo phương z ( Mode 8)
Hình 4.25: Hình dạng dao động theo phương x ( Mode 9)
Hình 4.26: Hình dạng dao động theo phương y ( Mode 9)
Hình 4.27: Hình dạng dao động theo phương z ( Mode 9)
Hình 4.28: Hình dạng dao động theo phương x ( Mode 10)
Hình 4.29: Hình dạng dao động theo phương y ( Mode 10)
Hình 4.30: Hình dạng dao động theo phương z ( Mode 10)
Hình 4.31: Chuyển vị theo phương x ( Tĩnh tải)
Hình 4.32: Chuyển vị theo phương y ( Tĩnh tải)
Hình 4.33: Chuyển vị theo phương z ( Tĩnh tải)
Hình 4.34: Ứng suất theo phương x ( Tĩnh tải)
Hình 4.35: Ứng suất theo phương y ( Tĩnh tải)
Hình 4.36: Ứng suất theo phương z ( Tĩnh tải)
Hình 4.37: Ứng suất chính theo phương 1 ( Tĩnh tải)


Hình 4.38: Ứng suất chính theo phương 2 ( Tĩnh tải)
Hình 4.39: Ứng suất chính theo phương 3 ( Tĩnh tải)
Hình 4.40: Đồ thị chuyển vị theo phương x ( Tĩnh động)
Hình 4.41: Đồ thị chuyển vị theo phương y ( Tĩnh động)
Hình 4.42: Đồ thị ứng suất theo phương x ( Tĩnh động)
Hình 4.43: Đồ thị ứng suất theo phương y ( Tĩnh động)
Hình 4.44: Chuyển vị theo phương x ( Tĩnh động, t=1s)

Hình 4.45: Chuyển vị theo phương y ( Tĩnh động, t=1s)
Hình 4.46: Chuyển vị theo phương z ( Tĩnh động, t=1s)
Hình 4.47: Ứng suất theo phương x ( Tĩnh động, t=1s)
Hình 4.48: Ứng suất theo phương y ( Tĩnh động, t=1s)
Hình 4.49: Ứng suất theo phương z ( Tĩnh động, t=1s)
Hình 4.50: Ứng suất chính theo phương 1 ( Tĩnh động, t=1s)
Hình 4.51: Ứng suất chính theo phương 2 ( Tĩnh động, t=1s)
Hình 4.52: Ứng suất chính theo phương 3 ( Tĩnh động, t=1s)
Hình 4.53: Chuyển vị theo phương x ( Tĩnh động, t=1.6s)
Hình 4.54: Chuyển vị theo phương y ( Tĩnh động, t=1.6s)
Hình 4.55: Chuyển vị theo phương z ( Tĩnh động, t=1.6s)
Hình 4.56: Ứng suất theo phương x ( Tĩnh động, t=1.6s)
Hình 4.57: Ứng suất theo phương y ( Tĩnh động, t=1.6s)
Hình 4.58: Ứng suất theo phương z ( Tĩnh động, t=1.6s)
Hình 4.59: Ứng suất chính theo phương 1 ( Tĩnh động, t=1.6s)
Hình 4.60: Ứng suất chính theo phương 2 ( Tĩnh động, t=1.6s)
Hình 4.61: Ứng suất chính theo phương 3 ( Tĩnh động, t=1.6s)
Hình 4.62: Chuyển vị theo phương x của bệ đỡ máy phát ( Tĩnh tải)
Hình 4.63: Chuyển vị theo phương y của bệ đỡ máy phát ( Tĩnh tải)
Hình 4.64: Chuyển vị theo phương z của bệ đỡ máy phát ( Tĩnh tải)
Hình 4.65: Ứng suất theo phương x của bệ đỡ máy phát ( Tĩnh tải)
Hình 4.66: Ứng suất theo phương y của bệ đỡ máy phát ( Tĩnh tải)


Hình 4.67: Ứng suất theo phương z của bệ đỡ máy phát ( Tĩnh tải)
Hình 4.68: Ứng suất chính theo phương 1 của bệ đỡ máy phát ( Tĩnh tải)
Hình 4.69: Ứng suất chính theo phương 2 của bệ đỡ máy phát ( Tĩnh tải)
Hình 4.70: Ứng suất chính theo phương 3 của bệ đỡ máy phát ( Tĩnh tải)

1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Ngày nay, nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước
nên nhu cầu điện năng ngày càng tăng. Điều đó đã đặt ra nhiều cấp thiết về năng
lượng cho đất nước. Chính vì vậy mà các công trình trạm thủy điện được xây dựng
trên ngày một nhiều. Nhà máy thủy điện là một kết cấu hình khối lớn, hình dạng
khá phức tạp với nhiều khoảng trống bên trong. Toàn bộ nhà máy nói chung và từng
phần nói riêng phải đảm bảo đủ ổn định và đủ độ bền dưới tác động của mọi tổ hợp
tải trọng tĩnh và tải trọng động trong các giai đoạn xây dựng, vận hành, sửa chữa.
Nhà máy thủy điện phân chia thành hai phần: phần trên nước và phần dưới nước,
phần dưới nước chiếm khoảng 70% bê tông nhà máy.
Hiện nay tính toán kết cấu nhà máy thủy điện nói chung và tính kết cấu phần
dưới nước nhà máy nói riêng thì phần lớn người ta xét bài toán ở trạng thái tĩnh. Ở
bài toán tĩnh , dưới tác dụng của tải trọng tĩnh là tải trọng tác dụng chậm lên công
trình, sự chuyển động của hệ là chậm và lực quán tính rất nhỏ có thể bỏ qua được.
Trong thực tế nhà máy thủy điện chịu tác dụng của các tải trọng động tác dụng
thường xuyên liên tục. Tải trọng này do sự lệch tâm bộ phận quay tổ máy gây lên.
Dưới tác dụng của tải trọng động, Phần dưới nước của nhà máy thủy điện đặc biệt là
kết cấu bệ đỡ máy phát chịu dao động cưỡng bức nên việc phân tích động phần
dưới nước nhà máy là rất cần thiết để:
+ Xác định trạng thái ứng suất, biến dạng của kết cấu phần dưới nước dưới tác
dụng tải trọng tĩnh và tại trọng động để kiểm tra điều kiện bền của kết cấu.
+ Xác định tần số dao động riêng của kết cấu phần dưới nước nhà máy thủy
điện để kiểm tra cộng hượng khi tổ máy chịu tác dụng của lực dao động cưỡng bức.
+ Xác định biên độ dao động của bệ máy để kiểm tra tổ máy làm việc an toàn,
biên độ dao động nằm trong phạm vi cho phép của tổ máy.

2
Chính vì các yếu tố phân tích trên nên việc phân tích động học cho phần dưới
nước nhà máy thủy điện là rất cần thiết. Tác giả chọn đề tài: “Phân tích động học
phần dưới nước của nhà máy thủy điện” sẽ góp một phần vào công nghệ thiết kế,
phân tích kết cấu nhà máy thủy điện, đảm bảo nhà máy làm việc an toàn với mọi tổ
hợp tải trọng trong thực tế vận hành.
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Phân tích kết cấu phần dưới nước của nhà máy thủy điện chịu tác dụng của
tải trọng động do sự lệch tâm tổ máy gây lên từ đó xác định được ảnh hưởng của tải
trọng này đến chuyển vị và nội lực trong kết cấu nhà máy. Đồng thời xác định tần
số dao động riêng, biên độ dao động của bệ đỡ tổ máy để đưa ra kết cấu hợp lý cho
phần dưới nước nhà máy thủy điện và đặc biệt là kết cấu, kích thước hợp lý cho bệ
đỡ máy phát.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Trạng thái ứng suất biến dạng phần dưới nước nhà máy thủy điện chịu tại trọng
tĩnh.
- Trạng thái ứng suất biến dạng phần dưới nước nhà máy thủy điện khi kể đến tải
trọng động do sự lệch tâm của phần qua tổ máy gây lên. Từ đó có kết luận về sự
ảnh hưởng của tải trọng này đến kết cấu nhà máy.
- Xác định tần số dao động riêng, kiểm tra cộng hưởng tổ máy.
- Kiểm tra biên độ dao động của bệ đỡ máy phát.
- Đưa ra kết cấu, kích thước hợp lý cho bệ đỡ máy phát thủy điện
4. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Điều tra, thống kê và tổng hợp các tài liệu đã nghiên cứu liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về dao động, phương trình vi phân mô tả chuyển
động của hệ nhiều bậc tự do chịu tải trọng dao động cưỡng bức.


3
- Nghiên cứu các phương pháp giải phương trình vi phân mô tả chuyển động của

hệ nhiều bậc tự do.
- Đề xuất phương pháp lịch sử thời gian để giải phương trình vi phân mổ tả kết cấu
phần dưới nước nhà máy thủy điện chịu tải trọng dao động cưỡng bức do sự lệch
tâm phần quay tổ máy gây ra.
- Xây dựng mộ hình 3-D phần dưới nước nhà máy thủy điện chịu các tải trọng tĩnh
và tại trọng động bằng phần mềm Phần tử hứu hạn có các module phân tích động
theo phượng pháp lịch sử thời gian.
- Phân tích, đánh giá kết quả.


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN (NMTĐ)
1.1 Tổng quan về nhà máy thủy điện (NMTĐ).
Nhà máy thủy điện là một kết cấu không gian gồm nhiều cấu kiện có hình dạng
phức tạp , độ cứng khác nhau nối liền thành một khối. Nhà máy thủy điện phân
chia thành hai phần: phần trên nước và phần dưới nước, phần dưới nước chiếm
khoảng 70% bê tông nhà máy.
1.1.1 Phần trên nước nhà máy thủy điện
- Phần trên nước của nhà máy thủy điện được giới hạn bởi cao trình sàn nhà máy
và cao trình đỉnh nhà máy
- Phần trên nước nhà máy thuỷ điện bao gồm sàn máy, hệ khung đỡ, dầm cầu trục,
kết cấu khung dàn của mái nhà máy .
- Các thiết bị bố trí trong phần trên nước nhà máy :
+ Cầu trục chính
+ Các tủ điện
+ Các phòng chức năng
1.1.2 Phần dưới nước nhà máy thủy điện
Phần dưới nước nhà máy thủy điện được giới hạn từ cao trình đáy móng đến đáy
Stato máy phát.

- Các thiết bị bố trí ở phần dưới nước nhà máy thủy điện :
+ Ống hút
+ Tuabin
+ Buồng xoắn
+ Hệ thống tháo nước tổ máy
+ Trạm bơm tiêu thoát nước


5
+ Hệ thống cấp nước kỹ thuật
- Với mỗi kiểu nhà máy thủy điện khác nhau thì thiết bị bố trí phần dưới nước lại
khác nhau :
+ Nhà máy thuỷ điện sau đập và đường dẫn phần dưới nước gồm buồng xoắn, ống
hút, bệ máy phát, đường ống Turbin.
+ Nhà máy thuỷ điện ngang đập phần dưới nước ngoài buồng xoắn, ống hút, bề máy
phát còn có cửa lấy nước dẫn nước trực tiếp vào buồng xoắn.
+ Nhà máy thuỷ điện lắp Tuabin xung kích gáo, phần dưới nước chủ yếu là kênh xả
dẫn nước ra hạ lưu.
1.1.3. Các hạng mục cơ bản phần dưới nước nhà máy thủy điện Tuabin trục
đứng
a. Máy phát điện
- Máy phát điện là thiết bị quan trọng bố trí phần dưới nước nhà máy thủy điện.
Máy phát là động cơ biến cơ năng của Tuabin thành điện năng cung cấp cho hệ
thống điện. Máy phát điện bao gồm các thành phần như:
+ Bích nối
+ Trục máy phát
+ Giá chữ thập dưới và giá chữ thập trên
+ Ổ trục hướng và ổ trục đỡ
+ Roto
+ Stato máy phát

+ Bộ phận làm mát
+ Máy kích từ
+ Phanh hãm tổ máy
- Tùy theo dạng kết cấu mà máy phát được chia thành máy phát kiểu treo và máy
phát kiểu ô.
+ Máy phát kiểu treo là máy phát có ổ trục đỡ nằm trên ở giá chữ thập trên


6
+ Máy phát kiểu treo là máy phát có ổ trục đỡ nằm trên ở giá chữ thập dưới
- Những thiết bị chính của phần dưới nước nhà máy thủy điện tuabin trục đứng
được thể hiện ở hình 1.1

Hình 1.1:. Thiết bị phần dưới nước của nhà máy thuỷ điện tuabin trục đứng
()
b. Bệ máy phát
Bệ máy phát là kết cấu đỡ máy phát và tuarbin, nó chịu toàn bộ tải trọng động và
tải trọng tĩnh. Vì vậy phải bảo đảm đầy đủ tính ổn định, cường độ và độ cứng, kết
cấu bệ bằng bêtông cốt thép. Tường bê tông bao quanh hành lang thông gió máy
phát và bệ máy đúc liền với nhau (nắp chắn gió).
Bệ đỡ máy phát được thi công ngoài công trường được thể hiện ở hình 1.2


7

Hình 1.2 : Bệ máy phát nhà máy thủy điện tuabin trục đứng
()
c. Buồng xoắn
Buồng xoắn là bộ phận qua nước của Turbin, buồng xoắn kim loại do xưởng chế
tạo thiết kế, nó chịu toàn bộ áp lực nước bên trong, lớp bê tông bao ngoài chịu tải

trọng từ trên truyền xuống. Chủ yếu thiết kế buồng xoắn bê tông mặt cắt hình tròn
và buồng xoắn bê tông mặt cắt hình thang chịu áp lực nước bên trong.
Buồng xoắn được thi công ngoài công trường được thể hiện ở hình 1.3
d. Ống hút
Ống hút là bộ phận dẫn nước ra của Turbin, chủ yếu chịu tác dụng của nước.
Trạm thuỷ điện loại vừa và loại lớn thường dùng ống hút cong, về mặt kết cấu
thường chia làm 3 đoạn : đoạn chóp cụt, đoạn khuỷu, đoạn loe.
Ống hút được thi công ngoài công trường được thể hiện như hình 1.4.


8

Hình 1.3 : Buồng xoắn của nhà máy thuỷ điện Tuabin trục đứng
()

Hình 1.4 : Ống hút của nhà máy thuỷ điện Tuabin trục đứng
()


9
1.1.4 Một số kiểu nhà máy thủy điện
Nhà máy thủy điện hiện nay được xây dựng nhiều. Nhưng thường bao gồm các
kiểu nhà máy thủy điện sau :
+ Nhà máy thủy điện ngang đập. Như nhà máy thủy điện Nậm Na 1-Tỉnh Lai Châu
sử dụng Tuabin Capxun- được thể hiện như hình 1.5
+ Nhà máy thủy điện sau đập. Như nhà máy thủy điện Đồng Nai 2-Tỉnh Đồng Nai
được thể hiện như hình 1.6
+ Nhà máy thủy điện đường dẫn. Như nhà máy thủy điện Nậm Ban 1- Tỉnh Lai
Châu sử dụng Tuabin trục ngang như hình 1.7 và nhà máy thủy điện Nho Quế 3Tỉnh Hà Giang sử dụng Tuabin trục đứng như hình 1.8

Hình 1.5: Mặt cắt Nhà máy thủy điện ngang đập Nậm Na 1- Lai Châu
(Công ty CP tư vấn thiết kế thủy điện Miền Bắc)


10

Hình 1.6: Mặt cắt Nhà máy thủy điện sau đập Đồng Nai 2
( Công ty CP tư vấn xây dựng Điện 1)


11

Hình 1.7: Mặt cắt Nhà máy thủy điện sau đập-tua bin trục ngang
Nậm Ban 1- Lai Châu
( Công ty CP tư vấn thiết kế thủy điện Miền Bắc)


12

Hình 1.8: Mặt cắt Nhà máy thủy điện đường dẫn –tua bin trục đứng
Nho Quế 3- Hà Giang
( Công ty CP tư vấn xây dựng Điện 1)
1.2 Yêu cầu về tính toán ổn định và độ bền nhà máy.
1.2.1. Yêu cầu chung về tính toán ổn định và độ bền nhà máy
- Toàn bộ nhà máy nói chung và từng phần nói riêng phải đảm bảo đủ ổn định và
đủ độ bền dưới tác động của mọi tổ hợp tải trọng tĩnh và tải trọng động trong các
giai đoạn xây dựng, vận hành, sửa chữa.
- Các sơ đồ tính ổn định và độ bền của nhà máy phải phản ánh hợp lý các giai đoạn
xây dựng nhà máy và phải xét đến trạng thái ứng suất thay đổi khi nhà máy bị lún.
- Thể hiện rõ được biến dạng của nhà máy cùng làm việc với nền.

1.2.2. Yêu cầu về ổn định và độ bền nhà máy trong giai đoạn vận hành


13
- Khi nhà máy đi vào vận hành, tổ máy truyền động, dưới tác dụng của tải trọng
động nhà máy bị dao động. Nhà máy thường dao động với 3 nguyên nhân sau :
+ Chấn động do lệch tâm quay tổ máy gây ra. Chấn động này có tính chất chu kỳ
+ Chấn động do áp lực nước thay đổi qua cánh hướng nước. Chấn động này có tính
chất chu kỳ.
+ Chấn động do áp lực mạch động của dòng chảy và khí thực sinh ra. Lực này
không có tính chất chu kỳ thay đổi phức tạp.
Nhà máy phải đảm bảo an toàn và đủ độ bền khi bị tác dụng bởi các tải trọng
động này.

1.3 Các nghiên cứu về phân tích động học cho NMTĐ ở Việt nam và trên thế
giới
1.3.1. Các nghiên cứu về phân tích động học cho NMTĐ ở Việt Nam
- Theo tài liệu thu thập được hiện nay ít đề tài nghiên cứu về phân tích động học
cho nhà máy thủy điện. Đề tài nghiên cứu và thực tế sản xuất các năm trước về nhà
máy thủy điện các tác giả chủ yếu đi vào phân tích bài toán tĩnh.
- Cùng thời điểm làm luận văn với tác giả có một đề tài nghiên cứu động học cho
nhà máy thủy điện. Đề tài: “ Phân tích kết cấu, ổn định của nhà máy thủy điện chịu
tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian” của tác giả Đỗ Hồng Hoàng.
1.3.2. Các nghiên cứu về phân tích động học cho NMTĐ ở trên thế giới
- Theo tài liệu thu thập được hiện nay thì trên thế giới đã có đề tài phân tích động
học nhà máy thủy điện như:
+ Đề tài: “Vibration analysis of hydropower house based on fluid-structure
coupling numerical method”-Weishuhe, College of water Conservancy and
Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, P.R.China.
Tác giả Weishuhe đã phân tích rung động nhà máy thủy điện do áp lực nước bằng

phương pháp số.


14
+ Đề tài: “Nonlinear dynamic analysis of the Three Gorge Project powerhouse
excited by pressure fluctuation”- Zhang, C.H., and Zhang, Y.L.2009, Journal of
Zhejiang University-Science
Tác giả Zhang đã phân tích động học phi tuyến của nhà máy thủy điện Three Gorge
kích thích bởi áp lực thay đổi bất thường.
1.4. Tóm tắt nội dung chương 1
- Nhà máy thủy điện là 1 hạng mục phức tạp của công trình thủy điện. Đặc biệt
phần dưới nước nhà máy có các hạng mục như: bệ máy phát, tubin , ống hút...là các
hạng mục cơ bản và quan trọng. Vì vậy chúng phải được đảm bảo ổn định và độ
bền trong quá trình vận hành nhà máy cùng làm việc với các thiết bị đặt trên chúng.
- Bệ máy phát đỡ máy phát và tubin, trong quá trình vận hành nhà máy vì 1 lý do
nào đó Roto quay lệch tâm gây ra lực chấn động ly tâm có tính chất chu kỳ làm nhà
máy bị dao động. Vì vậy tính toán phân tích động lực học cho phần dưới nước nhà
máy thủy điện là hết sức cần thiết.
- Tài liệu nghiên cứu về vấn đề “phân tích động lực học cho phần dưới nước nhà
máy thủy điện” ở nước ta là ít.
- Nhà máy thủy điện dùng loại Tuabin khác nhau ứng với các kiểu nhà máy khác
nhau, tác giả tính toán động học phần dưới nước nhà máy thủy điện do lệch tâm
quay tổ máy gây ra với nhà máy thủy điện Tuabin trục đứng


15

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CÔNG
TRÌNH
Nhà máy thủy điện khi bị tác động bởi lực kích động do khối lượng lệch tâm quay

tổ máy gây ra thì nhà máy sẽ bị chuyển vị. Để thấy được kết quả chuyển vị này ta đi
tìm phương trình vi phân mô tả chuyển vị của nhà máy.
2.1 Phương trình vi phân mô tả chuyển vị của nhà máy
-Nhà máy chịu tác động của lực kích động bởi khối lượng lệch tâm quay tổ máy gây
ra. Để xét đơn giản ta xét hệ liên tục với các bậc tự do là chuyển vị tại các điểm
1,2,3…,n.
- Khả năng phản ứng của nhà máy khi chịu tác dụng của lực tải trọng lệch tâm quay
.

được biểu thị qua chuyển vị của nút i là: u i (t) , vận tốc chuyển vị u i (t) và gia tốc
..

chuyển vị u i (t) , với i=1÷n.
- Dưới tác dụng của lực kích động bởi khối lượng lệch tâm quay tổ máy gây ra thì
tại mỗi điểm nút i chịu tác dụng của 3 thành phần lực. Thiết lập phương trình cân
bằng lực tại nút i ta được:
f Ii + f Di + fSi = Pi (t )

(2.1)

+ fSi (t) : Lực đàn hồi tuyến tính
+ f Di (t) : Lực cản Damping
+ f Ii (t) : Lực quán tính
- Phương trình dạng ma trận có dạng:

[f I ] + [f D ] + [fS ] = [ P(t )]

(2.2)

2.1.1. Xác định lực đàn hồi tuyến tính

- Lực đàn hồi được giả thiết tỷ lệ thuận với chuyển vị. Theo nguyên lí cộng tác dụng
ta có:
f Si (t ) = ki1.u1 + ki 2 .u2 + ... + kij .u j + ... + kin .un

+ kij : Lực tại nút thứ i do chuyển vị thứ uj =1gây ra
+ u j : Chuyển vị thứ j

(2.3)


16
Chú ý: Lực đàn hồi cân bằng với lực nút nhằm duy trì đường đàn hồi (ngược chiều
với lực nút)
- Ma trận tính
⎧fS1 ⎫ ⎡ k 11 k12 ...k1n ⎤ ⎧u1 ⎫
⎪f ⎪ ⎢ k k ...k ⎥ ⎪u ⎪
⎪ S2 ⎪ ⎢ 21 22 2n ⎥ ⎪ 2 ⎪
⎨ ⎬=⎢
⎥ ⎨M ⎬ hay [ f S (t ) ] = [ K ][U ]
M
...
...
...
...
⎪ ⎪ ⎢
⎥⎪ ⎪
⎪⎩fSn ⎪⎭ ⎢ k k ...k ⎥ ⎪⎩u n ⎪⎭
⎣ n1 n 2 nn ⎦

(2.4)

Trong đó:
+ [ K ] : là ma trận độ cứng.
+ [U ] : là ma trận chuyển vị.
2.1.2. Xác định lực cản Damping
- Lực cản được giả thiết tỷ lệ thuận với tốc độ:
.

.

.

.

f Di (t ) = ci1. u1 + ci 2 . u 2 + ... + cij . u j + ... + cin . u n

(2.5)

.

+ cij : là lực tại nút thứ i do u j = 1 gây ra, gọi là hệ số ảnh hưởng cản.
.

+ u j : Vận tốc chuyển vị tại nút thứ j
- Ma trận tính
⎧. ⎫
u1 ⎪
⎡
⎤
c

c
...c
11 12
⎧f D1 ⎫
1n ⎪
⎢
⎥
⎪f ⎪ c c ...c ⎪ . ⎪
.
⎪ D2 ⎪ ⎢ 21 22 2n ⎥ ⎪u 2 ⎪
hay
f
(
t
)
=
C
U
=
[ D ] [ ][ ]
⎨ ⎬ ⎢
⎥⎨ ⎬
⎪M ⎪ ⎢... ... ... ... ⎥ ⎪M ⎪
⎪⎩f Dn ⎪⎭ ⎢c c ...c ⎥ ⎪ . ⎪
⎣ n1 n 2 nn ⎦ ⎪u n ⎪
⎩ ⎭

Trong đó:
+ [C ] : là ma trận lực cản.
.

+ [U ] : là ma trận vận tốc chuyển vị của nhà máy

2.1.3. Xác định lực quán tính

(2.6)


17
- Lực quán tính tỷ lệ thuận với gia tốc:
..

..

..

..

f Ii (t ) = mi1. u1 + mi 2 . u 2 + ... + mij . u j + ... + min . u n

(2.7)

..

+ mij : Lực tại nút thứ i do u j = 1 gây ra, là hệ số ảnh hưởng khối lượng
..

+ u j : Gia tốc chuyển vị thứ j
- Ma trận tính
⎧ .. ⎫

u1 ⎪
⎡
⎤
m
m
...m
11
⎧f I1 ⎫
12
1n ⎪
⎢
⎥
⎪f ⎪ m m ...m ⎪ .. ⎪
⎪ I2 ⎪ ⎢ 21 22
2n ⎥ ⎪ u 2 ⎪
⎡ .. ⎤
hay
f
(
t
)
M
=
[
]
[
]
⎨ ⎬=⎢
⎨
⎬

I
⎥
⎢⎣U ⎥⎦
M
...
...
...
...
M
⎪ ⎪ ⎢
⎥⎪ ⎪
⎪⎩f In ⎪⎭ ⎢ m m ...m ⎥ ⎪ .. ⎪
nn ⎦ ⎪
⎣ n1 n 2
⎩u n ⎭⎪

(2.8)

Trong đó:
+ [ M ] : là ma trận khối lượng.
..

+ [U ] : là ma trận gia tốc chuyển vị của nhà máy
2.1.4. Lực tác động biến thiên thời gian P(t)
P (t ) = m1eΩ 2 sin Ωt

(2.9)

(Giáo trình Động lực học công trình -PGS.TS Phạm Đình Ba, Nhà xuất bản xây
dựng)

+ m1: Khối lượng bộ phận quay máy phát.
+ e: Độ lệch tâm quay của bộ phận quay so với tâm quay
+ Ω : Vận tốc góc của bộ phận quay
2.1.5. Phương trình vi phân mô tả chuyển vị của nhà máy
Từ phương trình (2.1), (2.3), (2.5), (2.7), (2.8) ta được phương trình vi phân mô tả
chuyển vị của phần dưới nước nhà máy dưới tác dụng của tải trọng lệch tâm bộ
phận quay tổ máy gây ra:
..

.

[ M ][U ]+ [C ][U ]+ [ K ][U ] = m1eΩ2 sin Ωt

(2.10)