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

-1-

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
1.1.TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

8

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 của 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 cơ bản

37

2.2.3.1. Cách giải hệ phương trình cơ bản của 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 về phần tử bậc cao

38

2.3.2. Hệ tọa độ tự nhiên

39


-2-

2.3.2.1. Khái niệm về hệ tọa độ tự nhiên

39

2.3.2.2. Toạ độ tự nhiên của phần tử ba chiều

40

2.3.3. Phần tử lục diện bậc cao 20 điểm nút

40

2.3.4. Một số nét cơ bản về thuật tốn và 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 tồn

64

3.3.2.3.Lực tác dụng

64

3.3.3.Mơ hình tính tốn

68

3.3.4.Kết quả tính tốn

69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

83

TÀI LIỆU THAM KHẢO

85


-3-

DANH MỤC CÁC HÌNH, BẢNG BIỂU
Danh mục các 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 trong 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 và turbin
Hình 1.7. Phạm vi ứng dụng của các 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 bản 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 các thanh
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 1 , T/m2
Hình 3.3.10(TH1) Ứng suất σ 3 , 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 1 , T/m2
Hình 3.3.19(TH2) Ứng suất σ 3 , T/m2
Danh mục các bảng:

Bảng 3.1 Các thơng số và chỉ tiêu chính của cơng trình Sê San 3A
Bảng 3.2 Quy mô, khối lượng các hạng mục cơng trình chính.


-5-

MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của Đề tài:
- Hiện nay, với nhu cầu dùng điện ngày càng tăng trong các ngành công
nghiệp đất nước và trong sinh hoạt đời sống Nhân dân, việc phát triển
thủy điện – nguồn năng lượng sạch, rẻ là một trong những chiến lược
hàng đầu của Việt Nam. Trong đó nhà máy thuỷ điện turbin trục đứng
được sử dụng chủ yếu ở các cơng trình lớn và rất nhiều ở các cơnh trình
nhỏ. Việc nghiên cứu kết cấu khối bê tông quanh buồng xoắn của nhà
máy turbin trục đứng chưa được thoả đáng trong các công trình này, tuy
rằng đây là kết cấu chịu lực chính của tổ máy và có điều kiện làm việc
ngoại lực rất phức tạp. Sự cố của buồng xoắn có thể làm biến dạng
đường dẫn nước vào, làm lệch trục tua bin - máy phát dẫn đến sự phá
hoại của tổ máy nói riêng và cả nhà máy nói chung ở mức độ nghiêm
trọng không lường hết được;
- Việc nghiên cứu kết cấu buồng xoắn nhà máy thuỷ điện trước đây chỉ
chủ yếu dựa vào mơ hình thí nghiệm hay áp dụng kết cấu của các cơng
trình tương tự nên cịn nhiều hạn chế về cơ sở lập luận. Đề tài luận văn
này sẽ sử dụng các chương trình tính tốn hiện đại với phương pháp
nghiên cứu và phân tích khoa học nhằm đưa ra kết quả chính xác và rõ
ràng nhất về trạng thái ứng suất, biến dạng buồng xoắn turbin trục đứng
của nhà máy thủy điện nhằm khắc phục các tồn tại trong việc thiết kế
các kết cấu này;
- Có nhiều phần mềm tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn như
Sap 2000, Ansys V10…nhưng phần mềm Ansys V10 là công cụ mạnh

về kết kấu 3D nên việc lập mơ hình tính tốn cho giếng máy phát và
giếng turbin là thích hợp nhất. Cơng tác tính tốn này đồng thời có thể
sử dụng để tham khảo áp dụng tính tốn cho các cơng trình tương tự.


-6-

II. Mục đích của Đề tài:
- Tính chất khác nhau căn bản giữa kết quả tính tốn trạng thái ứng suất
biến dạng cũng như phương pháp bố trí cốt thép của phương pháp tính
tốn cổ điển và phương pháp PTHH với sự hỗ trợ các chương trình hiện
đại của máy tính điện tử.
- Đánh giá được tính đúng đắn kết quả tính tốn của mỗi phương pháp từ
đó nói lên được tính ưu việt và các hạn chế của mỗi phương pháp. Đưa
ra được các chỉ đạo và phạm vi ứng dụng các phương pháp tính tốn
trong các điều kiện cụ thể khác nhau về cấu tạo và hoạt động của buồng
xoắn turbin trục đứng. Áp dụng cho cơng trình thủy điện Sê San 3A.
III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1. Đối tượng nghiên cứu :
- Nhà máy thuỷ điện có buồng xoắn turbin trục đứng (Sê San 3A).
2. Phạm vi nghiên cứu :
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng không gian của khối bê tông
bao quanh buồng xoắn của nhà máy thuỷ điện turbin trục đứng đã đưa
vào hoạt động (Sê San 3A).
IV.Cách tiếp cận và Phương pháp nghiên cứu :
- Trên cơ sở thu thập tài liệu, tìm hiểu về cơng trình nghiên cứu;
- Tìm hiểu tình hình làm việc của buồng xoắn turbin trục đứng trong các
cơng trình thuỷ điện;
- Tìm hiểu về cơng dụng, nguyên lý làm việc của buồng xoắn, giếng máy
phát, turbin;

- Các sơ đồ lực không gian tĩnh và động tác dụng lên các loại buồng xoắn
turbin trục đứng khác nhau trong các điều kiện làm việc khác nhau ;
- 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 sự trợ giúp các chương
trình tính tốn hiện đại của máy tính điện tử (MTĐT) và các phương
pháp cổ điển để tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng buồng xoắn
turbin trục đứng nhà máy thủy điện của một số cơng trình đã đưa vào
hoạt động;
- So sánh kết quả tính tốn nói trên giữa hai phương pháp cổ
điển và hiện đại.
V.Kết quả dự kiến đạt được
-

Lập mơ hình tính tốn theo thuật tốn của phương pháp PTHH.

- Tính chất khác nhau căn bản giữa kết quả tính tốn trạng thái ứng suất
biến dạng cũng như phương pháp bố trí cốt thép của phương pháp tính
tốn cổ điển và phương pháp PTHH với sự hỗ trợ các chương trình hiện
đại của máy tính điện tử.
- Đánh giá được tính đúng đắn kết quả tính tốn của mỗi phương pháp từ
đó nói lên được tính ưu việt và các hạn chế của mỗi phương pháp. Đưa
ra được các chỉ đạo và phạm vi ứng dụng các phương pháp tính tốn
trong các điều kiện cụ thể khác nhau về cấu tạo và hoạt động của 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 là công trình thủy cơng trong đó bố trí các thiết bị
động lực (turbin, máy phát điện..) và các hệ thống thiết bị phụ phục vụ cho sự
làm việc bình thường của các thiết bị chính nhằm sản xuất điện năng cung cấp
cho các hộ dùng điện. Có thể nói đây là một xưởng sản xuất điện năng của
cơng trình thủy điện. Loại và kết cấu nhà máy phải đảm bảo làm việc an toàn
của các thiết bị và thuận lợi trong vận hành.
Nhà máy thủy điện được chia thành 3 loại cơ bản:
Nhà máy thủy điện lịng sơng:
Nhà máy thủy điện lịng sơng được xây dựng trong các sơ đồ khai thác
thủy năng kiểu đập có cột nước khơng q 35 – 40m. Bản thân nhà máy là
một phần cơng trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng. Cửa lấy
nước cũng là thành phần trong cấu tạo của bản thân nhà máy. Vị trí nhà máy
nằm trong lịng sông.


-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 trong thân đập tràn

- Nhà máy thủy điện sau đập:
Nhà máy thủy điện sau đập được bố trí ngay sau đập dâng. Khi cột nước
cao hơn 30 – 45m bản thân nhà máy vì lý do ổn định cơng trình khơng thể là
một thành phần của cơng trình dâng nước ngay cả trong các trường hợp tổ
máy công suất lớn. Nếu đập dâng nước là đập bê tơng trọng lực thì CLN và


- 11 -

đường ống dẫn nước turbin được bố trí trong thân đập bê tông, đôi khi đường
ống dẫn nước turbin được bố trí trên phía hạ lưu của đập.

Hình 1.4. Nhà máy TĐ sau đập bê tông trọng lực.


- 12 -

1-lưới chắn rác, 2- Van sửa chữa, 3- Thiết bị đóng mở van cơng tac, 4- Đường
ống turbin, 2- Máy biến thế, 6- Thanh dẫn máy phát.
- Nhà máy thủy điện đường dẫn:
Trong sơ đồ thủy năng kiểu đường dẫn hoặc kết hợp, nhà máy thủy điện
đứng riêng biệt tách khỏi cơng trình đầu mối. CLN đặt cách xa nhà máy.
Trong trường hợp cơng trình dẫn nước là khơng áp thì CLN nằm trong thành
phần của bể áp lực; trong trường hợp cơng trình dẫn nước là có áp thì CLN bố
trí ở đầu cơng trình dẫn nước và là một cơng trình độc lập. Đường dẫn nước
vào nhà máy thủy điện thường là đường ống áp lực…

Hình 1.5. Sơ đồ bố trí nhà máy đường dẫn.
Bên cạnh đó có thể phân ra nhà máy thủy điện trên mặt đất (nhà máy
thông thường), nhà máy thủy điện ngầm được bố trí tồn bộ trong lịng đất,

nhà máy thủy điện nửa ngầm với phần chủ yếu của nhà máy bố trí ngầm trong
lịng đất, phần mái che có thể bố trí hở trên mặt đất.
Các thiết bị bố trí trong nhà máy thủy điện được chia thành các loại:
Thiết bị động lực, thiết bị cơ khí, thiết bị phụ, thiết bị điện.
+ Thiết bị động lực bao gồm turbin thủy lực và máy phát điện.
- Turbin thuỷ lực
+ Thiết bị cơ khí bao gồm các loại cửa van và các thiết bị nâng chuyển phục
vụ cho việc đóng mở và lắp ráp sửa chữa chúng.


- 13 -

+ Thiết bị điện bao gồm: dây dẫn điện từ máy phát, máy biến áp chính trạm
phân phối điện, hệ thống điện tự dùng, hệ thống đo lường kiểm tra và điều
khiển, thiết bị điều khiển trung tâm.
+ Các hệ thống thiết bị phụ bao gồm: Hệ thống dầu, cấp nước kỹ thuật, khí
nén, phịng hỏa, tháo nước sửa chữa và rò rỉ.
Kết cấu nhà máy thủy điện thường bao gồm 2 phần chính là: Kết cấu phần
trên nước và kết cấu phần dưới nước của nhà máy thủy điện.
Kết cấu phần dưới nước của nhà máy thủy điện:
Phần dưới nước gồm các cơng trình dẫn nước (buồng xoắn, ống hút,
đường ống turbin) hoặc kênh xả đối với turbin xung kích. Tuỳ thuộc vào loại
nhà máy và loại turbin phần dưới nước có khác nhau. Đối với trạm thuỷ điện
ngang đập phần dưới nước của nhà máy ngoài buồng xoắn, ống hút cịn có
cửa lấy nước liên kết với nhà máy, dẫn nước trực tiếp vào buồng xoắn. Trạm
thuỷ điện sau đập và đường dẫn phần dưới nước chủ yếu là buồng xoắn và
ống hút, nước vào buồng xoắn qua đường ống áp lực đặt trong thân đập hoặc
đường ống áp lực đặt lộ thiên (nhà máy thủy điện đường dẫn). Khi nhà máy
thủy điện lắp turbin xung kích gáo thì phần dưới nước của nhà máy đơn giản
vì khơng có buồng xoắn turbin và hình dạng phức tạp của ống hút, nó chỉ là

kênh xả dẫn nước ra.
Phần dưới nước của nhà máy thủy điện, do đặc thù làm việc của nhà
máy cũng như kết cấu phần dưới nước được chia thành các bộ phận như sau:
+ Vỏ nhà máy thủy điện:

Bao gồm các tường thượng, hạ lưu, các sàn,

dầm và các tường ngăn phòng trong nhà máy thuỷ điện .
+ Móng nhà máy thủy điện: Bao gồm các phần tiếp xúc trực tiếp với nền
địa chất như bản đáy ống hút hoặc cửa ra ống hút .
+ Giếng máy phát, buồng xoắn và giếng turbin (xem hình vẽ 1.6).


- 14 -

Z
X
Y

Hình 1.6 Giếng máy phát và turbin
Phân loại, tác dụng và cấu tạo của buồng turbin:
i. T¸c dơng và phân loại
Bung turbin lm nhim v dn nc t đường ống áp lực vào bánh xe
cơng tác và hình thành đặc tính của dịng chảy trước mép vào cánh hướng
dòng. Yêu cầu của buồng turbin phải thoả mãn các điều kiện chủ yếu sau:
- Đảm bảo phân bố đều dòng chảy theo chu vi trước các mép vào cánh
hướng nước để tạo nên dòng chảy đối xứng với trục turbin.
- Đảm bảo tổn thất trong buồng turbin là nhỏ, ảnh hưởng ít đến đặc tính
năng lượng của turbin.
- Ngồi ra trong trạm thủy điện thì buồng turbin là bộ phận có kích thước

ngang lớn nhất vì vậy buồng phải có kích thước ngang nhỏ.
- Kinh nghiệm cho thấy kích thước và hình dạng (chỉ chiều rộng mặt bằng
B, chiều cao tiết diện vào, góc bao ϕ của buồng) của buồng turbin có ảnh
hưởng đến tổn thất năng lượng trong buồng và các phần nước qua tiếp theo
của turbin (stato, bộ phận hướng nước và bánh xe cơng tác). Nói chung buồng
turbin có kích thước lớn thì có hiệu suất cao hơn, mặt khác kích thước buồng
quyết định khối turbin và kích thước phận dưới nước của nhà máy, do đó mà
nó có liên quan trực tiếp đến giá thành xây dựng của TTĐ. Sau đây là các
kiểu turbin và phạm vi sử dụng chúng.


- 15 -

II. CÁC KIỂU BUỒNG TURBIN VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG
Dựa vào sự phụ thuộc vào cột nước và công suất của TTĐ mà buồng turbin
gồm các kiểu: hở, chính diện và buồng xoắn. Hình 1.7 biểu thị phạm vi ứng
dụng của các kiểu buồng turbin.
Buồng turbin kiểu hở dùng cho cột nước H < 5 ÷ 6m với turbin cỡ nhỏ có
đường kính D 1 ≤ 1, 2m. Vận tốc nước V trong kiểu buồng này không được
vượt quá 1m/s.
Ưu điểm của loại buồng này là dòng được dẫn đều vào cánh hướng, tổn thất
nhỏ. Nhược điểm là khoảng cách giữa các tổ máy phải đủ lớn, bề rộng trạm
lớn B ≥ 4D 1 , không dùng được cho các trạm có cột nước và kích thước turbin
lớn.

Hình 1.7: Phạm vi ứng dụng của các kiểu buồng turbin (giáo trình turbin)


- 16 -

Buồng chính diện (hình ống) hoặc
buồng kim loại dẫn nước theo hướng
chính diện được sử dụng với cột nước
5,5 ÷ 25m trong các turbin trục ngang
(tâm trục) với đường kính D 1 = 0,1 ÷ 1,
0m. Các kích thước cơ bản của hai kiểu
buồng nói trên giới thiệu ở phần cuối
của chương nay.
Buồng xoắn là kiểu buồng turbin
được dùng phổ biến nhất hiện nay.
Kiểu buồng này bảo đảm dẫn nước vào
turbin với kích thước mặt bằng của Hình 1.8: Sơ đồ buồng xoắn (giáo trình
turbin)
turbin nhỏ nhất. Phụ thuộc vào cột
nước, buồng xoắn có thể làm
bằng bê tơng hoặc kim loại.
Buồng xoắn bê tông: thông thường loại này có tiết diện hình thang, góc ơm
nhỏ dùng cho các trạm có cột nước trung bình và nhỏ (H = 3 ÷40m) với các
thơng số chủ yếu sau B = (2,5 ÷ 3,5)D 1 , ϕ = 1800 ÷ 2250.
Buồng xoắn kim loại có tiết diện trịn hoặc elíp dùng cho trạm có cột nước
trung bình và cao H >45m, B = (2,5 ÷ 4)D 1 , ϕ = 3450 ÷ 3600.
Một số nhà máy thủy điện turbin trục đứng tại Việt Nam:
+ Cơng trình thủy điện Sê San 3A:
Cơng trình thủy điện Sê San 3A nằm trên sơng Sê San ở giữa thủy điện Sê
San 3 và Sê San 4. Tuyến cơng trình cách thủy điện Ialy về phía hạ lưu 40km,
cách thị xã PleiKu khoảng 70km. Cơng trình được bố trí xây dựng trên địa bàn
xã Mơ Rai, huyện Sa Thầy, tỉnh Kon Tum và xã Yakrai, huyện Iagrai, tỉnh Gia
Lai. Hồ chứa thuộc 3 huyện : Huyện Sa Thầy tỉnh Kon Tum, huyện Iagrai và
huyện Chư Pảh tỉnh Gia Lai.
Cơng trình thuỷ điện Sê San 3A có cơng suất lắp máy 96 MW, điện lượng

trung bình hàng năm 475.0 triệu kWh. Nhiệm vụ chính của cơng trình là cung
cấp điện năng cho khu vực miền Trung, miền Nam qua hệ thống điện Quốc gia
và khắc phục sự thiếu hụt điện năng vào những năm tới. Ngoài ra cơng trình cịn
tạo điều kiện cho việc ni trồng thủy sản, cải tạo môi trường và phát triển dịch
vụ du lịch.


- 17 -

+ Cơng trình thủy điện Daksrong:
Thủy điện Đaksrơng với cơng suất 18MW xây dựng trên dịng chính
sơng Ba. Cơng trình thuộc địa phận thị trấn Kơng Chro, huyện Kông Chro,
tỉnh Gia Lai, cách thị xã An Khê gần 40km theo đường bộ. Thủy điện
Đaksrông nối với lưới điện quốc gia bằng điện áp 110kV, đấu đến trạm 110
An Khê. Điện lượng trung bình hàng năm 67.62 triệu kWh.
+ Cơng trình thủy điện Tà Cọ:
Thuỷ điện Tà Cọ dự kiến Xây dựng trên Suối Nậm Công (phụ lưu cấp 1
của Sơng Mã). Địa điểm xây dựng Cơng trình nằm trên địa bàn Bản Tà Cọ,
Xã Sốp Cộp, huyện Sốp Cộp, tỉnh Sơn La. Cách thị trấn Sông Mã khoảng
25Km về phía Tây Bắc.
Mục tiêu và nhiệm vụ của dự án Thuỷ điện Tà Cọ là kinh doanh bán điện
cho EVN, phục vụ nhu cầu điện sản xuất và sinh hoạt trực tiếp cho các huyện
Sốp Cộp, Sông Mã và vùng phụ cận với Công suất lắp máy 30MW.
Điện năng được hòa vào lưới điện Quốc Gia với điện lượng trung bình
năm là 113,89 Triệu KWh.
Là trạm Thuỷ điện điều tiết ngày đêm, trong điều kiện yêu cầu phủ đỉnh.
Trạm thuỷ điện Tà Cọ có thể đảm bảo phát điện hết cơng suất. Ngồi ra thuỷ
điện Tà Cọ cịn tăng thêm độ an toàn lưới điện của khu vực.
Ngoài ra, cịn có rất nhiều cơng trình khác đang vận hành và thi cơng ở
Việt Nam có sử dụng turbin trục đứng.

1.2.TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU: TÍNH TỐN KẾT CẤU
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
Nhà máy thuỷ điện là một kết cấu khơng gian gồm nhiều cấu kiện có
hình dạng phức tạp, độ cứng khác nhau nối liền thành một khối chịu các tổ
hợp tải trọng phức tạp và phải đảm bảo tuyệt đối an tồn. Với kết cấu nặng và
hình dáng phức tạp, thêm vào đó sơ đồ tải trọng tác động lên nhà máy cũng
rất phức tạp nên hiện nay người ta chưa thể tính độ bền nhà máy như một kết
cấu thống nhất.


- 18 -

Cho đến nay, có nhiều phương pháp và sơ đồ tính tốn kết cấu nhà máy
khác nhau phản ánh tính đa dạng của nhà máy thuỷ điện.
Q trình thiết kế các cơng trình thuỷ điện của Việt Nam là khơng lâu
so với thế giới, nhất là việc tính toán kết cấu nhà máy thuỷ điện. Thời gian
đầu thực hiện xây dựng các cơng trình thuỷ điện tại Việt Nam, phần nhà máy
với trang thiết bị mua của nước ngồi thì ngồi việc cung cấp thiết bị, phần
thiết kế và tính tốn kết cấu tồn bộ nhà máy thuỷ điện đều do chun gia
nước ngồi tính tốn cung cấp. Ví dụ: những nhà máy thủy điện đầu tiên được
xây dựng tại Việt Nam là Suối Vàng, Ancroet, tiếp đến nhà máy thủy điện
Thác Bà, Hịa Bình, IALY và hiện tại là nhà máy lớn nhất Việt Nam nhà máy
thuy điện Sơn La đều do chuyên gia nước ngoài cung cấp, thiết kế và tính
tốn kết cấu phần nhà máy thủy điện.
Tiếp theo đó là phương pháp tính tốn kết cấu nhà máy một cách đơn
giản hóa sơ đồ tính tốn bởi trong tính tốn đã chia khối nhà máy thành các hệ
cấu kiện đơn giản và xem tương tự như là các kết cấu có sẵn với các tải trọng
đã được đơn giản hoá. Với phương pháp này cho kết quả là sai khác rất nhiều,
không đảm bảo được yêu cầu về kinh tế - kỹ thuật.
Gần đây, việc xây dựng các cơng trình thuỷ điện phát triển mạnh, rất

nhiều đơn vị tư vấn tham gia vào công tác thiết kế. Cơng việc tính tốn kết
cấu nhà máy vẫn là một vấn đề chưa thể giải quyết triệt để.
Quan điểm tính tốn tại thời điểm này theo TCVN và Liên bang Nga,
các đơn vị tư vấn trong nước tính toán thiết kế kết cấu nhà máy thuỷ điện
truyền thống dựa trên giải pháp tất định. Để thuận tiện cho việc mơ hình hóa
và tính tốn số, thủ tục phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng, theo đó mơ
hình khối nhà máy thiết kế được chia thành các cấu kiện đơn giản để tính
tốn, các điều kiện biên là giả định gần đúng với các tổ hợp tải trọng tương
ứng và việc tính tốn đã áp dụng các ứng dụng của khoa học công nghệ. Với


- 19 -

cách tính tốn này đã có sự phát triển rõ rệt có rất nhiều ưu điểm là có thể sử
dụng rộng rãi khơng cần địi hỏi trình độ tính tốn cao và có thể nhiều đơn vị
hay nhiều người tính cùng tính một lúc, song cịn nhiều tồn tại, các bộ phận
của khối nhà máy là không thống nhất, các kết quả chưa đủ chính xác, khơng
đúng với bản chất làm việc của cấu kiện là kết cấu nhà máy thủy điện, đặc
biệt là không đúng với thực tế tại các điểm cân bằng nút là khác nhau về nội
lực, khơng tối ưu kinh tế cho cơng trình. Theo quan điểm này việc tính tốn là
cịn rất đơn giản, dẫn đến nhiều sai sót khơng kiểm sốt được, có rất nhiều
phần kết cấu q an tồn và ngược lại.
Ngày nay, dưới sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, do
khả năng ứng dụng mạnh mẽ của các phần mềm phân tích kết cấu, về cơ bản,
sơ đồ tính tốn kết cấu nhà máy thuỷ điện có thể được người thiết kế lập
giống cơng trình thực cả về hình dáng kích thước và vật liệu sử dụng cho kết
cấu. Các tổ hợp tải trọng và điều kiện biên được thực hiện tương tự thực tế thi
công và vận hành của nhà máy. Để phản ánh đúng tác động của các yếu tố
ngẫu nhiên và phản ánh đúng bản chất làm việc phức tạp của kết cấu nhà máy
thủy điện, xu thế tiến bộ trong tính tốn kết cấu cơng trình hiện nay là mơ

hình hóa khơng gian. Theo quan điểm tính tốn này, trước hết địi hỏi người
kỹ sư thiết kế phải hiểu rất rõ về nhà máy cũng như thiết bị bố trí trong nhà
máy, đồng thời phải có tư duy và kiến thức rộng thì mới đạt được kết quả như
ý muốn, kết quả tính toán mới sát với thực tế nhất, phản ánh đúng khả năng
làm việc của kết cấu nhà máy và cho kết quả tính tốn đạt độ tin cậy về chỉ
tiêu kinh tế - kỹ thuật của cơng trình.
Từ các kết quả tính tốn so sánh giữa các quan điểm tính tốn trên cho
thấy, việc tính tốn kết cấu nhà máy thủy điện theo sơ đồ mơ hình khơng gian
cho kết quả là thực tế nhất, tính tốn được các sơ đồ phức tạp, phản ánh đúng
bản chất làm việc toàn khối của kết cấu nhà máy trong cả quá trình thi công


- 20 -

và vận hành, dưới sự trợ giúp của các cơng cụ phần mềm trên cơ sở thuật tốn
của phần tử hữu hạn có thể tính tốn rất nhanh, rất an toàn và tiết kiệm đa
mục tiêu.
Nhằm đảm bảo an toàn cho nhà máy thuỷ điện dưới tác dụng của mọi
tổ hợp tải trọng tĩnh và tải trọng động trong các giai đoạn xây dựng, vận hành,
sửa chữa, đồng thời đảm bảo về kinh tế - kỹ thuật của cơng trình, việc tính
tốn kết cấu nhà máy thủy điện theo mơ hình khơng gian là cần thiết.


- 21 -

CHƯƠNG II: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CƠ SỞ DỰ LIỆU PHỤC VỤ
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
Hiện nay, có rất nhiều phương pháp để xác định ứng suất và biến dạng trong

cơng trình. Có thể kể ra một số phương pháp sau:
- Phương pháp giải tích.
- Phương pháp số.
- Ngồi ra cịn có các phương pháp thực nghiệm cũng giúp ta tìm được
ứng suất và biến dạng khi dựa vào mơ hình tương thích.
Mỗi phương pháp đều có tính ưu-nhược điểm. Việc áp dụng là dựa vào
yêu cầu, tính chất, mức độ của bài toán đặt ra.
2.1.1.Phương pháp giải tích:
Nội dung của phương pháp: tìm nghiệm giải tích thỏa mãn các
phương trình vi phân tại mọi điểm trên cơng trình và thỏa mãn các điều
kiện biên trên bề mặt (như phương pháp Sức bền vật liệu, phương pháp Lý
thuyết đàn hồi).
2.1.1.1. Phương pháp Sức bền vật liệu
Nội dung của phương pháp: coi cơng trình như một thanh được ngàm
chặt vào nền, chịu uốn và kéo nén đồng thời; giả thiết về sự phân bố ứng suất
pháp σ y trên mặt phẳng nằm ngang là đường thẳng, trị số tại biên được xác
định theo công thức nén lệch tâm.
Ưu điểm: Phương pháp Sức bền vật liệu được coi là phương pháp tính
tốn cơ bản, giúp ta tính tốn ứng suất biến dạng đơn giản, dễ dàng. Tính


- 22 -

được các giá trị σ x , σ y , τ xy tại các điểm đang xét, từ đó xác định được ứng suất
chính và phương chính tại mọi điểm khác nhau.
Nhược điểm: Kết quả tính tốn có sai số khá lớn, không phản ánh đúng
trạng thái ứng suất biến dạng của cơng trình. Ngun nhân là do khi tính tốn
theo phương pháp Sức bền vật liệu, ta coi cơng trình như một thanh được
ngàm chặt vào nền, chịu uốn và kéo nén đồng thời; giả thiết về sự phân bố
ứng suất pháp σ y trên mặt phẳng nằm ngang là đường thẳng, trị số tại biên

được xác định theo công thức nén lệch tâm. Mặt khác, không thể giải quyết
được các bài tốn phức tạp như có biến dạng nền, ứng suất tập trung, ứng suất
tại lỗ kht, ứng suất nhiệt, tính dị hướng, khơng xét được trong giai đoạn thi
công.
2.1.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi
Nội dung của phương pháp: phương pháp Lý thuết đàn hồi chính là
lời giải trực tiếp từ các phương trình vi phân, các phương trình này vừa thỏa
mãn điều kiện liên tục của biến dạng vừa thỏa mãn điều kiện biên.
Ưu điểm: Phương pháp này giải quyết được những vấn đề như ứng
suất tập trung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt mà phương pháp Sức bền
vật liệu không giải quyết được. Tính tốn tương đối đơn giản, áp dụng dễ
dàng, độ chính xác cao.

Nhược điểm: Phương pháp Lý thuyết đàn hồi rất

khó thực hiện được với những trường hợp tải trọng phức tạp, như áp lực thấm
và đẩy nổi, áp lực bùn cát, động đất, ảnh hưởng của nền, nền dị hướng… Kết
quả tính tốn chưa sát với thực tế làm việc của vật liệu là không đồng chất, dị
hướng. Không xét được ảnh hưởng biến dạng của nền, các lớp xen kẹp, đứt
gãy, nền có tính dị hướng, khơng tính được trong giai đoạn thi cơng, ảnh
hưởng động đất…
Kết luận: Tính ứng suất biến dạng theo phương pháp Lý thuyết đàn hồi
cho kết quả chính xác cao hơn so với phương pháp Sức bền vật liệu. Cách


- 23 -

tính tốn đơn giản, kết quả chấp nhận được. Thường được sử dụng trong tính
tốn thiết kế các cơng trình cấp III trở xuống.
2.1.2. Các phương pháp số

Nội dung của phương pháp: Các phương pháp số hay phương pháp rời rạc
hóa có thể phân thành 2 nhóm chính: Các phương pháp rời rạc kiểu toán học
mà đại diện là phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp rời rạc kiểu vật
lý mà đại diện là phương pháp phần tử hữu hạn. Các phương pháp số là bài
toán biến phân, nếu như trong phương pháp sai phân hữu hạn ta chỉ thay các
vi phân bằng các sai phân thì trong phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ta
thay thế hệ thực (hệ liên tục) bằng một mơ hình vật lý gần đúng (bằng một số
hữu hạn các phần tử) mà lời giải của nó được xác định bằng số hữu hạn số.

2.1.2.1. Phương pháp sai phân hữu hạn
Nội dung của phương pháp: Phương pháp sai phân hữu hạn là một
phương pháp số cổ điển ra đời từ rất lâu, nhưng chỉ từ khi máy tính điện tử
phát triển thì phương pháp này mới được áp dụng rộng rãi. Phương pháp này
cũng là một phương pháp rời rạc hoá, song khác với phương pháp phần tử
hữu hạn, phương pháp này là phương pháp rời rạc kiểu tốn học, nó khơng
thay đổi gì miền tính tốn mà chỉ phủ lên miền tính tốn một lưới (có thể là
lưới hình vng, chữ nhật, tam giác, tứ giác cong…) và nó thay thế một hàm
xác định trong một miền liên tục bằng một hàm lưới gồm tập hợp rời rạc hữu
hạn các điểm, ở đó đạo hàm này được thay thế bằng các tỷ sai phân, do đó bài
tốn biên của phương trình vi phân được thay thế bởi một hệ phương trình đại
số tuyến tính.


- 24 -

Ưu điểm: Phương pháp này vẫn thuận lợi đối với một số bài tốn như
bài tốn tính tốn thuỷ lực hay khi kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn
trong việc giải các bài tốn khơng dừng (bài toán phụ thuộc thời gian).
Nhược điểm: Phương pháp này tương đối đơn giản nhưng không thuận lợi
trong việc lập trình do khi giải trên máy tính thì việc đưa số liệu vào khá cồng

kềnh (so với phương pháp phần tử hữu hạn), và đặc biệt rất khó khăn khi tính
tốn những bài tốn mà miền tính tốn khơng thuần nhất có nhiều miền con
với những tính chất cơ lý khác nhau, nên đến nay nó ít được dùng hơn so với
phương pháp phần tử hữu hạn.
Phương pháp này chưa phản ánh được sự làm việc của nền và vật liệu.
Phương pháp sai phân hữu hạn không giải được các bài tốn có điều kiện biên
phức tạp. Độ chính xác của phương pháp cịn phụ thuộc vào hình dạng và
kích thước mắt lưới, mắt lưới càng dày thì độ chính xác càng cao. Khơng
phân tích được bài tốn dị hướng và trong giai đoạn thi cơng cơng trình.
2.1.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn
Nội dung của phương pháp: Phương pháp phần tử hữu hạn cũng
thuộc loại bài toán biến phân, song nó khác với phương pháp biến phân cổ
điển ở chỗ nó khơng tìm dạng hàm xấp xỉ của các hàm cần tìm trong tồn
miền xác định mà chỉ trong từng miền con trong miền xác định của nó. Điều
này rất thuận lợi khi giải bài toán mà miền xác định gồm nhiều miền con có
những đặc tính khác nhau.
Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp rời rạc kiểu vật lý, chia
miền
tính tốn thành các miền con gọi là phần tử. Từ các phương trình vi phân
chuyển thành phương trình đại số mà ẩn là chuyển vị nút. Giải hệ phương


- 25 -

trình vi phân tính được chuyển vị nút, từ đó tính được các đại lượng khác.
Hàm ẩn xác định cho miền con nên giải được nhiều loại vật liệu khác nhau.
Ưu điểm:
Phương pháp Phần tử hữu hạn là một phương pháp tổng quát và hữu hiệu
cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau, đặc biệt có hiệu quả để
tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định của nó. Từ

việc phân tích trạng thái ứng suất biến dạng trong các kết cấu cơng trình thủy
lợi, xây dựng dân dụng, giao thơng… cho đến các bài tốn của lý thuyết
trường như: lý thuết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi,
điện từ trường. Phương pháp này đã giải được bài tốn có xét đến ảnh hưởng
biến dạng, tính dị hướng của nền, xét đến nền có lớp xen kẹp, đứt gẫy và giải
được bài tốn có điều kiện biên phức tạp. Phản ánh đúng thực tế sự làm việc
của vật liệu là không đồng nhất, không đẳng hướng. Phân tích được trạng thái
ứng suất biến dạng quanh vị trí lỗ khoét, ứng suất tập trung, ứng suất nhiệt…
mà các phương pháp Sức bền vật liệu, sai phân hữu hạn… không giải quyết
được. Cơ sở của phương pháp này là thay kết cấu, môi trường liên tục bằng
một mơ hình bao gồm một số hữu hạn phần tử riêng lẻ liên kết với nhau chỉ ở
một số hữu hạn điểm nút, tại các điểm nút tồn tại các lực hoặc các đại lượng
đặc trưng khác tùy theo bài tốn. Các đại lượng tính tốn bên trong phần tử
được biểu diễn thông qua các trị số tại các điểm nút của phần tử.
Hiện nay, cùng với sự phát triển khoa học cơng nghệ, việc giải quyết
bài tốn có khối lượng lớn, kết cấu phức tạp được giải quyết và cho kết quả có
độ chính xác cao.
Nhược điểm: Khối lượng tính tốn lớn, phức tạp khơng thể thực hiện
bằng thủ cơng, mặt khác phải phân tích kết cấu thực tế đưa về kết cấu có tính
tốn sao cho hợp lý và cho kết quả đúng, sát với thực tế nhất.