Giáo trình Tuabin thủy lực

u dài của các đoạn gia cố sẽ tăng hơn so với nhà máy không kết hợp. Trong thực tế phải qua thí nghiệm mô hình gia cố hạ lưu để định. Sau đây, nếu không có kết quả thí nghiệm thì có thể tạm lấy các kích thước theo bảng (16-1) sau: WwW.oto-hui.com 278 Bảng 16-1. Kích thước các đoạn gia cố Đặc trưng đât q (mP2 P/s) Sân tiêu năng ( LBstn B ) Sân sau ( LBSS B) Tốc độ sân sau (m/s) Phần gia cố sau ( LBGC B) Cát ≤ 20 ( )2 3 2 1 2÷ +h h ( )3 5 2÷ h 2,5 ( )2 3 3÷ h Sét ≤ 20 ( )2 3 2 1 2÷ +h h ( )3 5 2÷ h 2,5 ( )2 3 3÷ h Đá ≤ 20 ( )2 3 2 1 2÷ +h h - - - Cát ≤ 40 ( )3 4 2 1 0 2 0 ÷ +h h ( )4 6 2 0÷ h 2,5 ( )3 4 30÷ h Cát ≤ 60 ( )4 5 2 1 0 2 0 ÷ +h h ( )5 7 2 0÷ h 2,5 ( ) ( )4 5 30÷ +h p Sét ≤ 60 ( )4 5 2 1 0 2 0 ÷ +h h ( )5 7 2 0÷ h 2,5 ( ) ( )4 5 30÷ +h p Đá ≤ 60 ( )2 3 2 1 0 2 0 ÷ +h h - - - Trong bảng 16-1: hB1 B, hB2 B , hB3B là chiều sâu nước ở các đoạn ứng với lưu lượng bình quân nhiều năm 1 0 2 0 3 0h h h, , tương ứnglà chiều sâu nước ở các đoạn ứng với lưu lượng lũ thiết kế, dùng đối với nhà máy kết hợp xả lũ; p - chiều sâu xói sau sân sau. WwW.oto-hui.com 279 Chương XVII. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ KẾT CẤU PHẦN DƯỚI NƯỚC CỦA NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN Chương này nghiên cứu về tính toán ổn định và kết cấu của nhà máy thuỷ điện, khác nhà công nghiệp thông thường; nhà máy thuỷ điện có kết cấu dạng khối rất phức tạp. Toàn bộ nhà máy và từng kết cấu riêng phải đảm bảo ổn định và đủ độ bền dưới tác dụng của mọi tổ hợp tải trọng tĩnh lẫn tải trọng động trong giai đoạn thi công lẫn giai đoạn vận hành, sửa chữa. Tính toán ổn định tiến hành cho cả nhà máy; độ bền của mỗi phần tử nhà máy ngoài việc phải tính khi nó tham gia làm việc chung với toàn nhà máy còn phải tính khi nó chịu tải trọng cục bộ. XVII. 1. TÍNH ỔN ĐỊNH TRƯỢT VÀ ỨNG SUẤT DƯỚI BẢN ĐÁY N.M 1. Tính ổn định chống trượt nhà máy Việc tính toán ổn định chống trượt của nhà máy là điều cần thiết đối với nhà máy kiểu ngang đập vì nó trực tiếp chịu áp lực nước thượng lưu; ngoài ra chỉ tính kiểm tra trượt cho nhà máy sau đập và nhà máy kiểu đường dẫn khi có bố trí khe lún - co ngót giữ đập và nhà máy, hoặc ở phía thượng lưu hoặc bên hông nhà máy có gia tải lớn. Hình 17-1. Các mặt trượt và sơ đồ lực tác dụng lên nhà máy ngang đập Tính toán ổn định trượt của công trình thuỷ công với ba dạng trươt: - Trượt phẳng theo mặt tiếp xúc giữa công trình và nền (mặt trượt là mặt nằm ngang ở cao trình chôn sâu nhất của tấm móng (như hình 17-1,a - theo ABCD, ABCDEF, ABCDE hoặc theo lớp đất yếu nằm dưới tấm đáy); WwW.oto-hui.com 280 - Trượt hỗn hợp: xảy ra khi dịch chuyển ngang có kéo theo một phần đất nền dưới đáy công trình (ép phì một phần đất nền); - Trượt sâu: xảy ra ép phì đất nền dưới toàn bộ đáy nền, thường xảy ra ở nền mềm ( như đất cát, sét, đất vụn thô ... ). Việc tính trượt của nhà maý thuỷ điện ngang đập trên nền đá cứng với H ≤ 50m, do tấm đáy có diện tích lớn nên phụ tải tác dụng không gây ra ứng suất có thể phát sinh biến dạng dẻo và ép phì, vì vậy thường chỉ tính ổn định theo trượt phẳng.Tiêu chuẩn tính ổn định là dạng trượt phẳng khi thoả mãn điều kiện sau: N B = ⋅ maxσ γ ≤ K (17-1) Trong đó: maxσ là ứng suất pháp lớn nhất trên đất nền (T/mP2 P); γ - trọng lượng riêng của đất (t/mP3 P); B - chiều rộng tính toán của nhà máy, theo chiều dòng chảy (m); K - chỉ số mô hình không thứ nguyên phụ thuộc vào góc ma sát trong ϕ và lự dính C của đất. Đối với công trình cấp I, xác định K theo thí nghiệm mô hình; đối với các công trình cấp II, III, IV lấy K = 3 khi nền đất, lấy K = 1 khi nền cát. Nhà máy TĐ thường có N ≤ 3 nên phần lớn chỉ kiểm tra theo trượt phẳng. Điều kiện an toàn trượt phẳng xác định như sau (hình 17-1,b): ( ) k f G U CB E T E T E pH a aB H aH = − + ++ − + Σ Σ ( ) ( ) > [k] (17-2) Trong đó: ΣG là tổng các tải trọng thẳng đứng; ΣU - tổng áp lực đẩy ngược; f - hệ số ma sát giữa nền và công trình.; C - lực dính đơn vị của đất; B- chiều rộng nền dọc theo dòng hảy; pHE - áp lực đất bị động hạ lưu khi đáy bị đẩy trượt về hạ lưu; aB aHE E, - áp lực đất chủ động ở thượng lưu và hạ lưu; Các ký hiệu tải trọng khác xem hình vẽ 17-1,b. Đối với nền là đá thì trong (17-2) bỏ hai thành phần C.B và pHE . Hệ số an toàn cho phép [k] tra theo cấp công trình, bảng sau: Bảng 17-2. Hệ số an toàn cho phép [k] Trường hợp tính toán Cấp công trình I II III IV Vận hành bình thường 1,3 1,2 1,15 1,1 Đặc biệt 1,1 1,1 1,05 1,05 Sửa chữa 1,17 1,1 1,05 1,05 Các trường hợp tính toán kiểm tra ổn định trượt:: - Trường hợp vận hành bình thường: Tính với mực nước thượng lưu là MNDBT, còn mực nước hạ lưu lấy ứng với lưu lượng tháo một tổ máy. Các tải trọng tác dụng lấy đầy đủ với trọng lượng kết cấu của nhà máy, trọng lượng các thiết bị đặt đúng vị trí của chúng, phần chảy có đủ trọng lượng nước, áp lực nước thượng hạ lưu, áp lực thấm, đẩy nổi, áp lực đất đá thượng hạ lưu, ...v..v... WwW.oto-hui.com 281 - Trường hợp sửa chữa: mực nước thượng hạ lưu và các tải trọng cũng như trường hợp vận hành bình thường, nhưng các thiết bị dỡ đi sửa chữa và phần chảy đã tháo cạn nước. Đây là trường hợp nguy hiểm nhất đối với ổn định chống trượt. - Trường hợp đặc biệt: mực nước thượng lưu là MNGC, mực nước hạ là mực nước cao nhất. Ngoài ra còn kiểm tra các trường hợp có thể xảy ra nguy hiểm, như động đất, điều kiện thi công ... 2. Ứng suất dưới bản đáy nhà máy Việc xác định biểu phản lực ở dưới bản đáy nhà máy nhằm phục vụ cho việc tính kết cấu khi có phản lực dưới nền tác dụng và để tính lún, tính dịch chuyển ngang của công trình và đánh giá trạng thái giới hạn của nền. Trị số và quy luật phân bố ứng suất ở dưới bản đáy nhà máy phụ thuộc vào: đặc tính của tải trọng tác dụng bên trên, vào độ cứng và kích thước của mặt bằng móng, vào địa chất và tính cơ lý của đất nền cũng như ảnh hưởng của các công trình bên cạnh. Hình 17-2. Sơ đồ tính lún và phản lực nền Có thể tính phản lực dưới đáy nền theo hai phương pháp: nền là môi trường biến dạng tuyến tính hoặc theo phương pháp hệ số nền của Wincle. Trong đó tỷ số độ cứng của tấm đáy và nền có ý nghĩa quan trọng. Công trình tuyệt đối cứng thì biến dạng của nó không ảnh hưởng đến sự phân bố phản lực nền, còn công trình có độ cứng hữu hạn thì biến dạng của nó có ảnh hưởng đến sự phân bố phản lực nền. Có thể thông qua chỉ số độ dẻo t của hai ông Gorbunôp - Pôxađốp để đánh giá, có thể coi tấm đáy là tuyệt đối cứng khi: t E E l h ≈ 10 0 1 2 3 < 1 (17-3) Trong đó: EB0 B, EB1 B tương ứng là: môđun đàn hối của vật liệu làm công trình và nền; l, h - chiều dài, chiều cao của dầm (bài toán phẳng nên bề rộng b =1). Phần lớn phần dưới nước nhà máy TĐ trục đứng có kích thước lớn và dạng khối nên thường có thể coi là công trình cứng (thoả mãn t < 1). a - Công trình cứng trên nền theo phương pháp hệ số nền (Vincle): Cơ sở của phương pháp hệ số nền là: tại các điểm tiếp xúc giữa móng và nền thì độ lún (ω) tỷ lệ tuyến tính với cường độ tải trọng (σ): σ = kB0 B ω (trong đó kB0 B là hệ số nền). Phương pháp nầy không kể ảnh hưởng của các tải trọng bên cạnh, nó đợc áp dụng thích hợp với đất bảo hoà nước và đất không dính, khả năng chống trượt nhỏ. Đối với WwW.oto-hui.com 282 móng cứng, nền đồng nhất và có bề dày hữu hạn hBc Bkhông đổi hoặc có bề dày vô hạn thì hệ số nền có thể tính theo công thức: 0 0 0 0 01 1 1 2k E hc = −+ − µ µ µ( ) ( ) (17-4) Trong đó: hBC B= hằng số, bề dày của lớp nền chịu nén; 0 0µ , E là hệ số poát xông và môdun biến dạng đàn hồi của nền. Độ lún ω và phản lực σ theo phương pháp đường thẳng sau (hình 17-2,a): ( , )x y y y x x P k F M k J x M k J yω = + + 0 0 0 (17-5) Trong đó: F - diện tích đáy móng; y x x y y xM P e M P e J b a J a b= = = =. ; . ; . ; . 3 3 12 12 (móng chữ nhật). ( , )x y y y x x P F M J x M J yσ = − ± ± (17-6) b - Công trình cứng trên nền biến dạng tuyến tính : Cơ sở của phương pháp này là dùng mô hình biến dạng tính theo phương pháp lý thuyết đàn hồi. Mô hình này tính đến lực ma sát tiếp xúc và sự ảnh hưởng của các công trình bên cạnh của công trình đang tính toán. Vì vậy phương pháp này phản ảnh được thực tế hơn. Theo mô hình biến dạng tuyến tính đối với nền đồng chất, phản lực nền phân bố theo đường cong và ứng suất tăng lên ở hai mép công trình tuyệt đối cứng. Khi bỏ qua lực ma sát theo tấm đáy, thì ứng suất pháp d đáy công trình chịu nén lệch tâm trong bài toán phẳng xác định là (hình 17-2,b): x P a x e x a σ π= − + ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟2 2 21 2 (17-7) Từ (17-7) ta nhận thấy σBXB = 0 ở viền, khi e = ± a/2, nghĩa là kích thước lỏi tiết diện bằng khoảng một nửa chiều dài móng mà không phải là 1/3 như đã nhận được ở nén lệch tâm hoặc như kết quả tính theo phương pháp hệ số nền khi nền đồng chất. Đối với nền móng phức tạp hơn (ví dụ lớp chịu nén hBC B ≠ hằng số thì kBO B sẽ thay đổi và có công thức tính riêng) cần tham khảo tài liệu cụ thể. XVII. 2. TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN PHẦN DƯỚI NHÀ MÁY T.Đ Nhà máy TĐ là một kết cấu không gian phức tạp và chịu lực phức tạp, hiện nay chưa có phương pháp thống nhất để tính độ bền của nó. Tuy nhiên cũng có một số quan niệm gần đúng để tính. Người ta cho rằng mỗi phần tử kết cấu của nhà máy, ngoài việc chịu lực cục bộ còn tham gia làm việc chung với toàn thể nhà máy. Do đó người ta tiến hành tính toán độ bền nhà máy theo hai bước: - Tính toán độ bền chung của nhà máy; ở đây xác định ứng lực trong các phần tử kết cấu do biến dạng chung của nhà máy khi nhà máy làm việc với nền; - Tính toán độ bền cục bộ của phần tử nhà máy làm việc riêng lẻ dưới tác dụng của tải trong cục bộ tác dụng lên nó. Ứng suất trong của phần tử là tổng ứng suất của hai bước tính chung và cục bộ. XVII. 2. 1. Tính toán độ bền chung của nhà máy Thuỷ điện Việc tính toán độ bền chung phụ thuộc vào kết cấu và các khớp xuyên suốt. WwW.oto-hui.com 283 1. Tính độ bền chung theo phương vuông góc với dòng chảy (dọc n.máy) Hình 17-3. Sơ đồ tính toán độ bền chung theo phương vuông góc với dòng chảy. Tính toán độ bền chung theo phương vuông góc với dòng chảy (dọc nhà máy) phụ thuộc vào độ cứng của tấm đáy, độ cứng tường áp lực (tường buồng xoắn, tường chắn nước, tường ống xả ... ) và của sàn mà quyết định. Quan niệm thứ nhất: coi nhà máy như một dầm trên nền đàn hồi có độ cứng không đổi và bằng độ cứng nhỏ nhất hBYB (hình 17-3,a). Quan niệm này dùng thích hợp dối với nhà máy TĐ không kết hợp xả lũ, nhà maý TĐ trong thân đập tràn, bơỉ vì những nhà máy này thường độ cứng phần trên rất nhỏ so với độ cứng của tấm đáy. Quan niệm thứ hai: coi nhà máy như một khung phẳng hay nhiều khung phẳng song song nhau (hình 17-3,b). Độ cứng của nhà máy do tấm đáy, các tường áp lực và một phần sàn tạo nên. Nhà máy dược phân thành các khu vực có c phần tử giống nhau và tạo được dạng khung, đó là các vùng: vùng tường áp lực, vùng tường buồng xoắn, vùng khuỷu ống xả cong, vùng tường chắn hạ lưu ... Sơ đồ quan niệm khung dùng thích hợp đối với: nhà máy kết hợp xả đáy, phân đoạn giữa hai tổ máy, các phần dẫn và tháo nước tạo nên dạng khung. Các khung cắt theo theo vùng đặc trưng có phần trên dày được coi như dầm ngang có EJ = ∞ đưa về sơ đồ khung để tính. Thường các mắc khung đối xứng nên chỉ tính một nửa khung. Để xét đến sự liên kết làm việc giữa các khung ta đưa về khung không gian phức tạp và dùng máy tính để tính. 2. Tính độ bền chung theo phương dòng chảy (ngang nhà máy) Theo phương dòng chảy thì độ cứng của nhà máy do trụ van chính và phụ của ống xả tạo nên (hình 17-4). Tính theo phương này cũng có hai quan niệm về sơ đồ: a - Quan niệm thứ nhất: Tách một phần tử tính toán vuông góc với trục nhà máy và coi nó như một dầm tỉnh định nằm trên dầm đàn hồi, chịu tải trọng chủ động (các tải trọng do trọng lượng kết cấu và thiết bị) và phản lực nền. Dầm tính toán có thể gồm một WwW.oto-hui.com 284 hoặc nhiều trụ van (hình 17-4,a). Quan niệm này thường dùng cho nhà máy không kết hợp và nhà máy kết hợp xả đáy. b - Quan niệm thứ hai: Coi phần tử như một khung phẳng nối các góc tuyệt đối cứng (hình 17-4,b). Khung có thể là một trụ van tách riêng, cũng có thể riêng cho một phần tràn hoặc cũng có thể là một trụ van và hai phần tràn hai bên trụ. Quan niệm sơ đồ này thích hợp cho nhà máy nằm trong thân đập tràn với các cấu kiện có bề dày đều nhau Hình 17-4. Sơ đồ tính dộ bền chung của n/m đập tràn dọc dòng chảy. Các phương pháp tính độ bền chung chủ yếu áp dụng lý thuyết cơ học kết cấu hệ thanh để giải, các kết cấu của các phần tử thường dày nên dùng hệ thanh sẽ giảm độ chính xác, mặt khác cũng không xét đến sự làm việc không gian ràn buột chúng. Để nâng cao chính xác cần sử dụng máy tính để giải các kết cấu hệ không gian . XVII. 2. 2. Tính toán độ bền cục bộ phần dưới nhà máy TĐ Tính toán độ bền cục bộ của phần dưới nước của nhà máy trình bày ở đây gồm: tính toán bệ máy phát điện, tính toán kết cấu buồng xoắn, ống xả - theo khuôn khổ của chương trình ngành. Tính phần trên có thể xem cách giải ở các tài liệu về cơ học kết cấu. I. Tính toán kết cấu bệ máy phát điện trục đứng 1 - Cấu tạo bệ máy phát điện và các tải trọng tác dụng lên bệ máy - Bệ đỡ máy phát điện có các dạng: dầm sàn (hình 17-5,a), thường dùng cho nhà máy thuỷ điện trục ngang hoặc thuỷ điện nhỏ trục đứng; bệ đỡ dạng cột, trên cột có vành tròn để tăng ổn định cho bệ đỡ (hình 17-5,b), được dùng cho máy phát không lớn; - Bệ dỡ máy phát điện dạng trụ rỗng (hình 17-5,c).Trụ rỗng này bao quanh trục tổ máy tạo nên giếng turbine và có lỗ thông với gian turbine, trụ có dạng mặt cắt tròn hoặc bên ngoài dạng bát giác. Bệ đỡ loại này có độ cứng lớn, chịu lực tốt, chống xoắn và chịu chấn động tốt, do vậy loại này dùng cho máy phát trung bình và lớn. WwW.oto-hui.com 285 Hình 17-5. Cấu tạo bệ đỡ máy phát điện. Tải trọng tác dụng lên bệ máy (hình 17-6) gồm có: Tải trọng tĩnh G gồm có : Trọng lượng bản thân bệ máy GB1 B; trọng lượng sàn máy phát GB2 B; tải trọng di động trên sàn máy phát GB3B; trọng lượng stator máy phát và thiết bị phụ của nó AB1 B; trọng lượng giá đở dưới PB1 B. Tải trọng động A' gồm có: Trọng lượng rotor máy ph + trục AB3B; trọng lượng BXCT + trục turbine AB4 B; áp lực nước dọc trục 2 124A k D H= γ π , ( k = 0,9 đối với turbine hướng trục; đối với turbine tâm trục tra quan hệ k ~ nBS B). Đưa tải trọng động về tải trọng tỉnh tương đương để tính là A' = kBĐB ( AB2 B + AB3 B + AB4 B), (hệ số động kBĐB = 1,5 - 2).B Mômen tác dụng gồm: Mômen uốn M do phép dời lực thẳng đứng về tim bệ máy M ; mômen xoắn MK do cảm ứng điện từ giữa stator và rotor gây ra trên stator, trường hợp chập mạch là nguy hiểm nhất. Chúng được tính theo các công thức sau: M G e A e P ei i i i p= ∑ + +∑ ' 1 (xem hình 17-6) k sk M N x n N n = ≈0 975 4, cos' ϕ k sk M N x n N n = ≈0 975 4, cos' ϕ , với N (kVA) Lực ngang do MK gây ra mà mỗi bulông phải chịu: PK = 2 kM m D , (trong công thức m là số bulông, D là điường kính vòng tròn đi qua các bu lông). Lực sinh ra do nhiệt độ. Chú ý: lực động thẳng đứng tuỳ từng loại máy phát mà có vị trí đặt tải trọng khác nhau (kiểu treo thì truyền qua stator, còn loại ô thì truyền qua giá đỡ dưới hoặc nắp tbin) WwW.oto-hui.com 286 Hình 17-7. Sơ đồ tính nội lực tỉnh của bệ máy phát điện. Có thể dùng phương pháp cơ học kết cấu để tính nội lực của bệ dỡ máy phát dạng trụ. Để tính ta tách một mãnh trụ bệ máy có cung tròn 1 m, đầu trên liên kết với sàn, để an toàn coi như đầu trên tự do, còn dầu dưới ngàm trong khối bêtông buồng t.bin Đầu trên có lực tập trung P = G A P D + +' 1 π và các mômen M và MK (hình 17-7,a). a- Tính nội lực do mômen M và tải trọng thẳng đứng P gây ra: Tại mặt cắt x - x cách đỉnh một đoạn x có ứng suất tính theo công thức sau: x xP M c Jσ δ= ± . (17-8) Trong đó: Mômen quán tính đối với trục trung hoà J = b 3 3 12 12 δ δ= ; Mômen ở mặt cắt x - x do M gây ra đối với ống rỗng đàn hồi là: WwW.oto-hui.com 287 ( )x x x xM M e M x= + =−β ββ βcos sin Φ , (với Φ x( )β là hàm của xβ , trong đó β = −3 1 2 2 2 4 ( )µ δR ; hệ số poatxông của bêtông lấy µ = (1/5÷1/6). Mỗi mặt cắt tính ra β.x rồi dùng bảng tra quan hệ hàm Φ x( )β , rồi tính ra Mx, rồi vẽ đồ thị mômen. Nếu x nenR k maxσ ≤ thì đặt thép cấu tạo; nếu không thì tính toán đặt cốt thép chịu lực. b - Tính nội lực do mômen xoắn MK gây ra: Dưới tác dụng của mômen xoắn sinh ra ứng suất tiếp và điều kiện không đặt cốt thép chịu lực (hình 17-7,b): maxτ = ≤k R M R J [ ] [ ]τ σ= =3 3nenRk (17-9) Trong đó: mômen quán tính cực của bệ máy: ( )RJ D d= −π32 4 4 . c - Kiểm tra ứng suất cục bộ tại lổ vào giếng turbine: Tại lổ khoét diện tích chịu lực bị giảm (phần gạch gạch trên hình 17-7,b), cần kiểm tra có cần đặt cốt thép chịu lực thêm hay không dưới tác dụng của MK. Ta đổi MK ra lực dọc tương ứng: NK = MK/R và tính được: σ = NK/F. Nếu σ ≤ [σ] thì không cần đặt thêm thép, ngược lại thì cần đặt thép. Cũng có thể dùng công thức tính σmax = k0 σ0 (trong đó: σ0 là ứng suất kéo của tiết diện khi chưa khoét lổ, k0 là hệ số , đối với lổ tròn k0 = 3), và dặt thép theo σmax . d - Tính ứng suất sinh ra do nhiệt: - Khi nhiệt độ bên trong và bên ngoài trụ cùng có sự thay đổi nhiệt độ ∆t như nhau thì dưới chân bệ máy (ngàm) sẽ sịnh lực cắt Qt và mômen uốn Mt như sau: ( )tM E R t= −16 12 3 2 β δµ α ∆ (17-10); ( )tQ E R t= −16 13 3 2 β δµ α ∆ (17-11). Trong đó: hệ số co giản của bêtông α = 0,00001; các ký hiệu khác như trước. - Khi nhiệt độ bên trong t1 khác nhiệt độ bên ngoài t2, (t1 > t2) thì bên ngoài bệ máy sẽ chịu kéo và bên trong chịu nén. Ứng suất do nhiệt sinh ra trường hợp này sẽ là: σ α µ= − − E t t( ) ( ) 1 2 2 1 (17-12) Hai đầu bệ máy bị giới hạn nên tăng ứng suất lớn hơn vì vậy lấy σđ = 1,4σ. 3 - Tính toán kiểm tra động lực bệ máy: Khi tổ máy hoạt động, dới tác dụng của các tải trọng động bệ máy bị chấn động cưỡng bức và tự do, cần phải tính toán kiểm tra an toàn cộng hưởng của nó. a - Nội dung tính toán động lực bệ máy, gồm những phần sau: - Kiểm tra cộng hưởng bệ máy: để bảo đảm an toàn thì tần số giao động riêng (n0i) của bệ máy phải lớn hơn tần số giao động cưỡng bức (ni) từ (20 - 30)%, cụ thể là: + Điều kiện để không sinh cộng hưởng thẳng đứng: 01 2 2 20 30 n n n − ≥ ÷( )% ; WwW.oto-hui.com 288 + Điều kiện để không sinh cộng hưởng xoắn: 02 1 1 20 30 n n n − ≥ ÷( )% ; + Điều kiện để không sinh cộng hưởng ngang: 03 1 1 20 30 n n n − ≥ ÷( )% ; - Kiểm tra biên độ chấn động của bệ máy, cụ thể: + Biên độ chấn động thẳng đứng, điều kiện an toàn khi: 1A < (0,1 ÷ 0,15) mm; + Biên độ chấn động xoắn, điều kiện an toàn khi: θA < (0,15 ÷ 0,20) mm; + Biên độ chấn động ngang, điều kiện an toàn khi: pA < (0,15 ÷ 0,20) mm. - Kiểm tra hệ số động lực: yêu cầu hệ số động lực tính ra phải ≤ hệ số k Đ =1,5 -2 - Kiểm tra sức chịu ứng suất của bulông định vị bệ máy và điều kiện an toàn: + Ứng suất lớn nhất khi chập mạch : [ ]ckeo bulongckeoσ τ τ τ σρ ϕ θ= + + < + Ứng suất lớn nhất khi vận hành : [ ]ckeo bulongckeoσ τ τ σρ θ= + < b - Cách tính toán cụ thể các thông số: - Tần số chấn động cưỡng bức n1 và n2: + Khi tổ máy quay, do lắp đặt không hoàn toàn đúng tâm dẫn đến tần số giao động ngang, lấy tần số này bằng vòng quay máy phát n, tức là n1 = n, (v/ph); + Do hồi chuyển giữa cánh tủbine và cánh hướng dòng, dẫn đến tần số giao động cưỡng bức thẳng đứng (đối với tổ máy trục đứng). Gọi Z1, Z2 tương ứng là số cánh hướng dòng và số cánh turbine, a là ước số chung của lớn nhất Z1 và Z2 thì tần số giao động cưỡng bức thẳng đứng là: 2 1 2n n Z Z a= . , (v/ph). - Tần số chấn động riêng (chân động tự do): 01n ; 02n , 03n +Tần số chấn động riêng thẳng đứng 01n : xác định dựa vào chuyển vị đứng và trọng lượng vật giao động, theo công thức sau (hình 17-8,a): 01 1 1 1 1 60 2 30 n g G G = =π δ δ (17-13) Trong đó: 1 0G P P Pi a= + +∑ là toàn bộ tải trọng thẳng đứng (ΣPi), trọng lượng bản thân bệ máy (PO) , và trọng lượng tấm đỉnh buồng xoắn (Pa); δ1 - biến vị thẳng đứng của kết cấu dưới tác dụng của lực đơn vị (bao gồm cả biến vị đứng của bệ máy bị nén và biến vị của tấm đỉnh buồng xoắn. Hình 17-8. Các sơ đồ tính toán tần số giao động tự do của bệ máy. WwW.oto-hui.com 289 + Tần số chấn động riêng ngang 02n (hình 17-8,b): 02 2 2 2 2 60 2 30 n g G G = =π δ δ (17-14) Trong đó: 2 00 35G P Pi= +∑ , , (T) 2δ là biến vị ngang bệ máy khi lực đơn vị tác dụng lên đầu bệ máy. + Tần số chấn động riêng xoắn 03n (hình 17-8,c): 03 60 2 30 n g I I = =π ϕ ϕϕ ϕ. . (17-15) Trong đó: ϕI Q D P D s s= + 2 0 0 2 4 0 35 4, . là mômen quán tính của stator và bệ máy; ( )ϕ π= = − H G I H G D dR 32 4 4 QS, D S tương ứng là trọng lượng và đường kính bình quân stator; PO, DO tương ứng là trọng lượng và đường kính bình quân bệ máy; ϕ là góc xoắn của kết cấu dưới tác dụng của mômen xoắn đơn vị; G là mômen đàn hồi chống cắt của bêtông G = 0,425 Ebt ; H - chiều cao bệ máy. - Biên độ giao động bệ máy 1 2 3A A A, , : + Biên độ giao động thẳng đứng 1A : ( )1 1 1 1 2 1 2 2 1 2 1 20 2 A P g G = − + . ,λ ω λ ω (17-16) trong đó: P1 - trọng lượng bộ phận động tác dụng lên bệ máy; G1 - trọng lượng bản thân bệ máy và toàn bộ tải trọng tác dụng lên bệ; 1 01 30λ π= n = 0,104 01n ; và 1 2 230 0 104ω π= =n n, . + Biên độ giao động ngang 2A : ( )2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 20 2 A P g G = − + . ,λ ω λ ω (17-17) Trong đó: 2 1 22P e m= ω là tải trọng chấn động ngang, chính là lực li tâm tác dụng lên bệ máy (e là độ lệch tâm của bộ phận quay, khi n ≤ 750 v/ph thì e = 0,035 - 0,08 cm; m1 = W1/g - W1 là trọng lượng phần quay của máy phát; 2ω ω= là góc quay của tổ máy khi vận hành bình thường; 2λ = π 0230 n ) + Biên độ xoắn ngang 3A : ( )3 32 32 2 32 320 2A M R g I n= − + . . ,ϕ λ ω λ ω (17-18) Trong đó: nM N n = 0 975, cosϕ là momên xoắn bình thường; R - bán kính ngoài WwW.oto-hui.com 290 của bệ máy; 3 03 30λ π= n ; 3 30ω π= pn với pn là vòng quay lồng. - Tính hệ số động kĐ: trên kia ta lấy tạm hệ số này từ 1,5 - 2, bây giờ phải kiểm tra lại, nếu hệ số đã lấy để tính lớn hơn hay bằng kĐ tính theo công thức sau là được: kĐ = 1 1 0 2 − ⎛⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ n n (17-19) - Tính ứng suất cắt của bulông cố định bệ máy + Tính ứng suất căt bulông do chập mạch gây ra: ϕτ = u M RJ k R (17-20) Trong đó: R là bán kính qua lổ các bulông; ( )RJ D d= −π32 4 4 ; U T t e e a t T T a a = + −⎛⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ ⎡ ⎣⎢ ⎤ ⎦⎥ + − − 2 1 1 1 1 0 01 1 , là hệ số xung kích 1 30 t n = là thời gian tác dụng của lực xung kích , sec; a t t T x r = 314 là hằng số quán tính máy phát (sec), do xưởng chế tạo cung cấp, thường 0,05 sec; tx là điện kháng chập mạch; tr là điện trở mạch. + Tính ứng suất do lệch tâm của máy gây ra: ( )ρ ρτ α π= −4 22 2 C A D d (17-21) Trong đó: α = 2 là hệ số mỏi của bulông; ρC E JP H= 3 1 1 3 . + Tính ứng suất cắt do biên độ giao động của mômen xoắn gây ra: θ θτ α= C AJR . 3 (17-22) Trong đó: α = 2 ; θ ϕC = 1 . WwW.oto-hui.com 291 II. Tính toán kết cấu buồng xoắn 1. Tính toán kết cấu buồng xoắn đa giác bằng bêtông cốt thép Tính toán kết cấu buồng xoắn bêtông đa giác có thể theo hai phương pháp sau: a - Tính theo phương pháp tấm vỏ Hình 17-9. Cấu tạo buồng xoắn đa giác bêtông cốt thép. Về kết cấu có thể gần đúng chía buồng xoắn làm ba phần để tính: - Phần tấm sàn: là tấm có lổ khoét (vùng vòng bệ), quy ước là tấm vành; - Phần thượng lưu: là các trụ (tường áp lực nhà máy); - Phần tường xoắn hạ lưu, có hai dạng: tường phẳng dày và tường cong mỏng. a1. Tính kết cấu tấm sàn (hình 17-10,a) Thực tế tấm sàn có dạng vành khăn méo, để tiện tính toán người ta quy nó về hình tròn. Vành ngoài tấm sàn coi như được ngàm xung quanh, còn vành trong có thể coi như ngàm hoặc tự do tuỳ theo liên kết với vòng bệ. Tải trọng lên sàn gồm gồm có: - Trọng lượng bản thân sàn và áp lực nước phân phối đều (q); - Tải trọng tập trung do trọng lượng bệ máy phát và các tải trọng từ bệ máy truyền tới, chúng được đặt tại cạnh trong của vành khăn (P); - Mômen do bệ máy pháy ngăn cản chuyển vị xoay của mép trong tấm sàn (M). Hình 17-10. Các sơ đồ tính kết cấu các phần buồng xoắn đa giác bêtông. Theo lý thuyết tấm vành khăn có mép trong tự do hoặc tỳ đã được lập bảng tính sẵn. a2 - Tính kết cấu tường hạ lưu buồng xoắn : - Tính trường hợp tường phẳng dày (hình 17-9,a) có độ dày thay đổi và chiều cao cũng không giống nhau, chỉ cần tính phần mỏng nhất (abcd) và tính như tấm ngàm bốn cạnh, chịu tải trọng chịu tải trọng nước hình thang bên trong. Độ dài của tấm trên WwW.oto-hui.com mặt bằng do hai đường tiếp tuyến với đường cong buồng xoắn và tạo với sườn bên một góc 45POP, cũng có thẻ lấy độ dài ab = 0,4 L. - Tính trường hợp tường hạ lưu cong có bề dày δ = const với bán kính R (hình 17-9 b). Điều kiện coi là tường mỏng khi δ/R < 0,2. Để tính tường này người ta đưa tườn than than kết c tính ngàm buồ trên bảng là tấ tính phư toán WwW.oto-hui.com,292 g về kết câu nửa trụ tròn (hình 17-10,b) ngàm bôn phía, coi nó là tập hợp của nhiều h thẳng đứng có hai đầu ngàm. Để kể đến tính làm việc có ràng buộc nhau giữa các h người ta đưa vào vào một đai đàn hồi có bề rộng H/2 tạo nên lực kéo pK để liên hịu lực giữa các thanh đứng. Thanh đứng chịu áp lực nước bên trong q1 và q2 và pK Người ta đã giải ra được lực kéo theo công thức: kp q H H R H = ++ ( ) , 2 64 1 625 1 4 2 2 4δ và được các mômen uốn tại hai đầu ngàm A và B theo công thức sau: A kM H q H H p= + − 2 1 2 60 5 2 11 192( ) B kM H q H H p= + − 2 1 2 60 5 3 11 192( ) (17-23) g.nhip kM H q H H p= + − 2 1 2 48 2 7 192( ) a3 - Tính kết cấu các tường bên thượng lưu: (hình 17-9,a và 17-10,c) Tường bên thượng lưu buồng xoắn chia hai đoạn (hình 17-9,a): - Đoạn từ tường áp lực hạ lưu buồng xoắn lấy ra 0,75 H (đoạn mnop) coi là tấm ba cạnh (với mặt trên là sàn, với mặt dưới là móng, vớí mặt phía tuờng hạ lưu ng xoắn). - Đoạn từ mp trở về thượng lưu (là trụ van) được coi là tấm ngàm hai cạnh (cạnh và cạnh dưới). Tính tấm ngàm ba cạnh (hình 17-10,c), người ta đã lập công thức, hệ số tra : x x xM H q q= +19 0 75 2 1 2( , ) ( )'α α y y yM H q q= +19 2 1 2( )'α α (17-24) R H q q= +13 0 75 1 2( , ) ( ) 'β β Các hệ số α, β trong các công thức là các hệ số mômen và lực cắt tra bảng. b - Tính theo phương pháp giá khung: Phương pháp tấm vỏ tính chính xác hơn, tuy nhiên nó được áp dụng khi đảm bảo m mỏng, và do tấm sàn là kết cấu quy ước chứ thật ra nó không tròn, do vậy kết quả toán không tiết kiệm hơn phương pháp kết cấu là mấy. Do vậy vẫn có thê tính theo ơng pháp giá khung bằng cách cắt qua tim tường buồng xoắn 1m dài và đưa về bài khung phẳng và dùng cơ học kết cấu để tính, có thiên an toàn nhưng đơn giản. 293 Hình 17-11. Sơ đồ tính buồng xoắn thép phương pháp giá khung. Buồng xoắn thường tỳ vào vòng bệ turbine nên có thể coi như gối tựa đơn, đáy buồng xoắn đúc với khối bêtông dưới nên coi như ngàm (hình 17-11,a,b). Khi tính giá khung ta cắt 1m dài trục buồng xoắn. Chiều dài thanh ngang và thanh đứng của khung được chọn theo độ dày tương đối của bêtông: - Khi H/δ > 4 coi là khung mỏng và chọn khung có kích thước: H x L; - Khi H/δ < 4 coi là khung dày và chọn khung có kích thước : h x l để tính. Tải trọng tác dụng lên giá khung gồm có: - Trọng lượng bản thân bệ máy bên trên truyền xuống: N = ΣGi, đưa về tim vòng bệ nên có mômen M do dịch vị trí dặt tải trọng; - Tải trọng truyền từ bệ máy phát (gồm: tải trọng đứng Ag và mômen do dời lực về tim vành bệ Mg, chú ý đưa tải trọng động về tỉnh tải bằng cách nhân với hệ số động). - Trọng luợng sàn buồng xoắn và người đi lại trên sàn: q; - Trọng lượng đứng của giá khung: Q; - Apa lực nước bên trong buồng xoắn, có kể nước va; - Ứng lực nhiệt độ và co ngót bêtông (tính riêng). Các trường hợp tính toán: - Trường hợp vận hành bình thường: với mực nước thượng lưu là MNDBT; - Trường hợp đặc biệt: khi buồng xoắn có nước nhưng thiết bị bên trên tháo đưa đi sửa chữa, gây kéo mép trong buồng xoắn; khi buồng xoắn tháo cạn nước đê sửa chữa. -Trường hợp có nước va thuỷ lực khi cắt bỏ toàn bộ phụ tải. 2. Tính kết cấu buồng xoắn kim loại mặt cắt tròn Khả năng sử dụng chịu lực của buồng xoắn kim loại tròn là: - Buồng thép chịu áp lực nước bên trong, bêtông bên ngoài chịu tải trọng ngoài; - Buồng thép không chịu áp lực nước (thép dầy 8-10 mm) mà do bêtông chịu cả; - Buồng thép và bêtông cùng tham gia chịu áp lực nước bên trong. WwW.oto-hui.com 294 Hình 17-11*. Các sơ đồ tính két cấu buồng xoắn kim loại a - Tính buồng xoắn bêtông thông thường Do buồng xoắn thép chịu toàn bộ áp lực nước bên trong, nên phần bêtông chỉ chịu tải trọng bên ngoài. Giữa phần trên tiếp giáp giữa bêtông và thép người ta đặt lớp đàn hồi dày từ 2 đến 4cm để buồng xoắn thép tự do biến dạng không ảnh hưởng đến lớp bêtông bọc ngoài (hình 17-11,a). Chỉ cần tính toán ớp bêtông c thép từ tâm buồng xoắn trở lên, còn ớp dưới liên kết thành khối nên không cần tính. Ta chọn sơ đồ lực theo phương pháp giá khung và dùng phương pháp cơ học kết cấu để tính (hình 17-11,a). b - Tính buồng xoắn tròn vỏ không chịu áp lực nước mà do bêtông chịu: Trường hợp này vỏ thép chỉ lấy bề dày từ 8 đến 10 mm chỉ để chống thấm. Phần bêtông bao quanh mới là phần chịu áp lực nước bên trong. Để tính diện tích cốt thép cho vòng bêtông trước hết ta coi như vỏ thép chịu áp lực nước, dựa vào công thức tính ứng suất pháp và ứng suất tiếp cho vỏ thép chịu lực và tính ra chiều dày vỏ thép từng vùng ở ba điểm vùng đặc trưng là K, H và M (hình 17-11,b): K c p R r rδ ρ σ= +. ( ) ..2 M c p R Rδ ρ σ ρ ρ= + + . ( ) .( ) 2 2 (17-24) H c pδ ρσ= . Sau đó thay chiều dày vỏ thép bằng diện tích cốt thép vòng của vòng bêtông bên ngoài trên 1mét dài, ở các vùng tương ứng, ta có: K a F p R r r= +100 2 . . ( ) .. ρ σ M a F p R R = ++ 100 2 2 . . ( ) .( ) ρ σ ρ ρ (17-25) H a F p= 100. .ρσ Diện tích cốt thép dọc của vòng bêtông trên 1 mét chu vi chịu ứng suất tiếp: doc a F p= 1002 . . . ρ σ (17-26) Trong các công thức trên: p - áp lực nước bên trong có kể áp lực nước va; ρ - bán kính trong của mặt cắt ống; R - khoảng cách từ trục turbine đến trung tâm mặt cắt tính toán; r - bán kính vòng bệ; aσ - ứng suất cho phép của côt thép; cσ là ứng suất WwW.oto-hui.com 295 phép của thép làm ống. c - Tính buồng xoắn áo thép và bêtông cùng tham gia chịu lực: Trường hợp này áp lực nước phân chia cho áo thép chịu áp lực nước pC còn lại bêtông chịu (p - pC). Trên cơ sở đó xác định chiều dày oá thép và tính ra diện tích cốt thép vòng bêtông. Dùng các công thức trong phần b nhưng thay p bởi (p - pC). Cần chú ý rằng cần tính kết cấu thêm với trọng lượng bản thân buồng xoắn, tải trọng ngoài (trường hợp thi công có ảnh hưởng dến độ bền của buồng xoắn). III. Tính toán kết cấu ống xả Tính toán kết cấu ống xả thường với bốn phần sau (hình 17-12,a) - Khối chóp dưới buồng xoắn (là đoạn nón cụt của ống xả); - Đoạn cong từ mặt cắt đi qua tim đoạn cong đến đầu trụ van giữa; - Dầm sâu (nằm bên dưới tường áp lực của buồng xoắn); - Đoạn khuếch tán của ống xả. 1. Tính toán kết cấu khối chóp Khối chóp của xả là kết cấu có độ dày thay đổi từ trên ( 1δ ) xuống dưới ( 2δ ), mặt trên phẳng, mặt dưới xoáy ốc. Để đơn giản tính toán ta đưa chóp về dạng trụ (hình 17-12,b) có chiều cao H (lấy chỗ cao nhất) với bán kính trụ lấy trung bình giữa R1 và R2 và bề dày cũng lấy trung bình giữa 1δ và 2δ . Để tính toán ta cắt 1 mét dài theo chu vi trụ và coi như một dầm có đầu dưới ngàm, đầu trên tựa (hoặc tự do) vào vòng bệ turbine. Sơ đồ lực và các tải trọng xem (hình 17-12,b). Hình 17-12. Các sơ đồ tính đoạn chóp và đoạn cong của ống xả. a - Các tải trọng tính toán gồm: - Tải trọng thẳng đứng P gồm: tải trọng bản thân, tải trọng tỉnh và động từ bệ máy truyền qua vòng bêh xuống chóp (tải trọng động nhân kĐ = 1,5 - 2 đưa về tỉnh); WwW.oto-hui.com 296 - Mômen uốn M do dời lực P từ đỉnh chóp về trung tâm trụ quy ước với độ lệch tâm e = (R1 - R2) /2, vậy M = ΣPi.e; - Lực ngang do áp lực nước thượng lưu (tính từ mực nước thượng lưu đến đáy chóp; áp lực nước hạ lưu lấy ứng với mực nước hạ lưu lớn nhất. Trừ áp lực cho nhau còn lại biểu đồ áp lực nước hình thang với q1 và q2. b - Các trường hợp tính toán: - Trường hợp nhà máy vận hành bình thường, mực nước thượng lưu là MNDBT; - Trường hợp đang đầy tải ngắt sự cố , sinháp lực nước va lớn nhất; - Trường hợp sửa chữa ống xả: hạ lưu không có nước. 2. Tính kết cấu đoạn cong ống xả Đây là kết cấu phức tạp, có độ dày thay đổi, thường có dạng khối, chưa có phơng pháp tính hoàn chỉnh. Thường có thể tính như sau: - Phần trên (hình 17-12,a):có thể coi như bản hay dầm liên kết ngàm với tường buồn xoắn và gối lên chóp; hai hướng còn lại (song song với dòng chảy) có thể coi là ngàm hoặc tựa lên trụ ống xả. Đối với buồng xoắn kim loại, phần trên rất dày nên không cần tính mà chỉ đặt thép cấu tạo; - Phần dưới đoạn cong: hiện nay người ta coi nó như một tấm hình thang ngàm ba phía, riêng phía thứ tư (theo dòng chảy) có thể xem là tự do (nếu không có trụ giữa) hoặc tựa lên trụ giữa (hình 17-12,c) người chia nó thành những dãi dọc, ngang và tại các giao điểm các dãi đặt các lực bằng và ngược chiều nhau cùng tác dụng lẫn nhau và tại các giao điểm có độ võng cân bằng nhau. Từ đó tính ra c giá trị mômen. Nhà máy chế tạo kim khí Lenin (Liên Xô cũ) có lập sẵn bảng tính cho hai loại ống xả N4 và N5. 3. Tính kết cấu dầm sâu Dầm sâu là phần nằm dưới tường áp lực của buồng xoắn có tỷ số bề dày (H) và chiều dài nhịp (L) lớn hơn 1/2 (hình 17-13,a), nên ứng lực không phân bố theo quy luật đường thẳng nữa, vì vậy phải áp dụng lý luận dầm sâu để tính với dầm có thể là dầm đơn hay dầm liên tục. Do dầm rất cao nên tải trọng tập trung từ hàng trụ truyền qua đỉnh dầm đến đáy. Nếu theo đường khuếh tán 45P0P đến đáy phân bố đều đặn cho nên sơ đồ tính toán là một dầm sâu chịu lực phân bố đều. Hình 17-13. Sơ đồ tính kết cấu dầm sâu. a - Tải trọng tác dụng lên dầm sâu: - Tải trọng kết cấu bên trên nhà, cầu trục qua trụ và tường truyền xuống; - Tải trọng của bệ máy qua thành tường buồng xoắn truyền xuống; - Trọng lượng bản thân dầm sâu; - Lực đẩy lên của nước. b - Tính toán nội lực dầm sâu: Người ta đã lập sẵn bản tra các hệ số và tính toán theo các công thức: Hợp lực của ứng suất kéo Z, hoặc ứng suất nén D, gọi chung là Z: WwW.oto-hui.com 297 Z q L= α. . Diện tích cốt thép: a T F k Z= .σ Khoảng cách từ đáy dầm đến hợp lực: 0Z L= ξ . Trong các công thức trên: k - hệ số an toán; Tσ - ứng suất cho phép của thép; các hệ số: ξ α; tra bảng theo β = H L/ và ε = C H/ . Đặt cốt thép nơi đặt hợp lực Z và D, tuỳ điều kiện có thể xê dịch một ít. 4. Tính kết cấu đoạn khuếch tán của ống xả Đoạn khuếch tán ống xả là một dầm rỗng có chiều cao thay đổi (hình 17-14,b). Khi tính toán ta cắt các băng dài 1 mét theo hướng vuông góc với dòng nước. Đây cũng là phần ống xả có nhiều phương pháp tính toán nhất. Việc xác định đúng thực tế làm việc của các khung phụ thuộc nhiều yếu tố. Đối với nhà máy kiểu kết hợp, ngoài vấn đề trình tự thi công ảnh hưởng đến kết cấu thì các khớp xuyên vuông góc với chiều dọc nhà máy nhằm bảo đảm thi công và giảm ứng suất nhiệt, lún cũng ảnh hưởng lớn đến sơ đồ lực của chúng. Hình 17-14,a trình bày một số khớp xuyên vừa nêu ở trên. Hình 17-14. Các sơ đồ tính kết cấu đoạn khuếch tán ống xả. - Khớp xuyên suốt I, thường từ một hoặc hai đoạn tổ máy đặt một khớp, nói chung khoảng cách giữa hai khớp loại I không quá 40 - 50 m; WwW.oto-hui.com 298 - Khớp xuyên loại II, chỉ cắt đến đỉnh sàn ống xả, thường dùng khi hai tổ máy đặt một khớp loại I; - Khớp xuyên loại III, cắt suốt đến tấm đáy, làm yếu khối dưới nước. Thường dùng khớp xuyên loại I để cắt cho một đoạn tổ máy hoặc hai đoạn tổ máy. Sau đây lấy trường hợp dùng khớp xuyên I để cắt cho một đoạn tổ máy để trình bày các tính (trường hợp cắt qua hai tổ máy sẽ tính tương tự). Để tính kết cấu đoạn khuếch tán thường tính một số chỗ đại diện sau đây:: - Mặt cắt II-II qua tường áp lực của buồng xoắn (hoặc tường sau nhà máy). Do tường quá dày có độ cứng tường rất lớn nên chọn sơ đồ khung hở ngàm phía trên (b); - Mặt cắt qua giữa (I-I). Ở đây dầm trên không quá dày, do vậy coi là khung kín. Nếu nền là đá cứng thì để giảm nhẹ bề dày tấm móng ta nên cắt tách tấm móng ra khỏi trụ. Ta có sơ đồ khung hai ngăn tựa bên dưới (d). Dùng c phương pháp tính sau đây: a - Phương pháp sơ đồ khung có nút cứng của Galerkin: Đây là quan niệm sơ đồ hay được dùng ở Liên Xô cũ. Coi đoạn khuếch tán là tập hợp c khung phẳng vuông góc dòng chảy, các khung làm việc độc lập nhau. Vì tải trong khung đối xứng và tải trọng tác dụng cũng đối xứng qua tim trụ giữa, do vậy coi như ngàm ở trụ giữa. Vì vậy chỉ cần cắt một nửa đối xứng để tính (hình 17-14,c và17-15,a). Hình 17-15. Các sơ đồ tính đoạn khuếch tán ống xả. Tính theo khung dày hay khung mỏng dựa vào H/δ (nếu H/δ < 4 thì là khung dày và chọn khung h x l; nếu H/δ > 4 thì là khung mỏng và chọn khung H x L). Viện sỹ WwW.oto-hui.com 299 Galerkin coi các nút khung là tuyệt đối cứng (phần gạch gạch trong I-I trên) nó không bị biến dạng và I = ∞, kích thước nút cứng lấy bằng nửa bề dày thanh. Mặt khác các trụ dịch chuyển theo phương đứng của nút là như nhau. Việc giải khung có nút cứng theo bảng tra của phương pháp chuyển vị và phương pháp phân phối mômen giữa các nút. b - Phương pháp sơ đồ khung và giải theo cơ học kết cấu: Quan niệm tính đoạn khuếch tán theo sơ đồ khung tuy không chính xác như phương pháp nút cứng nhưng đơn giản và sử dụng phương pháp cơ học kết cấu thông thường để tính. Để tính, ta cũng cắt một băng theo chiều vuông góc với dòng chảy và cũng có khung kín (đối với nền mềm), khung hở (đối với nền đá cứng). Sơ đồ kết cấu như hình (17-15,b,c) tương ứng với các tải trọng trong trường hợp làm việc bình thường. Tải trọng tính toán gồm: - Trọng lượng bản thân giá khung; - Trọng lượng thiết bị ở sàn ống xả (nếu có) truyền xuống như : động cơ, thùng dầu, máy bơm nước ..v.v.. ; - Áp lực nước đây lên từ dưới tấm đáy; - Áp lực nước ở ống xả; - Phản lực nền do tác dụng của tải trọng bên trên gây ra và coi như ngoại lực; - Các tải trọng khác, nếu có. Các trường hợp tính toán: - Trường hợp sửa chữa ống xả: bên trong ống xả không có nước, tải trọng bên ngoài vẫn đầy đủ; - Trường hợp bên trên thiết bị đã tháo đưa đi sửa chữa, nhà máy vẫn làm việc với mực nước hạ lưu sau nhà máy là lớn nhất. Trên đây khái quát một số cách tính toán kết cấu một số phần tử của nhà máy thuỷ điện đã được dùng trong thực tế thiết kế nhằm giúp cho anh chị sinh viên phần nào có phương hướng khi thiết kế nhà máy. Đi vào tính toán cụ thể còn gặp nhiều vấn đề cần phải tìm hiểu cụ thể hơn để hoàn chỉnh hơn. WwW.oto-hui.com 300 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT: 1 - Bộ môn thiết bị thuỷ điện - Trường ĐHTL - Giâo trình Turbine Thuỷ lực, năm 1982; 2 - Võ Sỹ Huỳnh, Ng. Thị Xuân Thu - ĐHBK Hà Nội - Turbin nước, xuất bản năm 2005; 3 - Lê Phu - Tủ sách ĐHXD Hà Nội - Turbin nước, xuất bản năm 1971; 4 - Bộ môn Thuỷ điện - ĐHTL Hà Nội - Công trnh Trạm Thuỷ điện, xuất bản năm 2003; 5 - Khoa XDTL - TĐ Trường ĐHXD - Trạm Thuỷ điện (Các công trình trên tuyến năng lượng), xuất bản năm 1991; 6 - Khoa XDTL - TĐ Trường ĐHXD - Nhà máy của Trạm Thuỷ điện, xuất bản năm 1991; 7 -Bộ môn Kỹ thuật điện, ĐHTL - Phần điện trong nhà máy điện và trạm biến áp, 1976; 8 - Bộ môn thiết bị Thuỷ điện, ĐHTL - Thiết bị phụ trong trạm thuỷ điện, 1971 ; 9 - Nguyễn duy Thiện và Nguyễn duy Hạnh - Khảo sát thiết kế trạm TĐ nhỏ, 1971. TĂI LIỆU TIẾNG NGA: 1 - P.P. Gubin - Trạm Thuỷ điện; xuất bản năm 1972; 2 - Đ. C. Savelep - Nhà máy Thuỷ điện, xuất bản năm 1967; 3 - A. A. Bererơnôi - Nhà động lực của Trạm Thuỷ điện, xuất bản năm 1964; 4 - L. A. Vơladislavơlev - Rung động của tổ máy thuỷ lực, xuất bản năm 1972; 5 - A. A. Umansky - Cẩm nan thiết kế công trình và nhà công nghiệp, nhà ở, nhà công cộng , xuất bản năm 1972; 6 - V. X. Golisman - Tính toán nhà máy thuỷ điện và đập tràn, xuất bản năm 1968; 7 - I. I. Ulisky - Kết cấu bê tông cốt thép ; 8 - N. N. Kvalĩp - Cẩm nan kết cấu turbine thuỷ lực, xuất bản năm 1971; 9 - V. A. Orơlốp - Buồng điều áp của Trạm thuỷ điện, xuất bản năm 1968; 10 - Tiêu chuẩn và định mức thiết kế đường ống thép của Trạm thuỷ điện TY-9- 51 ; 11 - Tài liệu Liên Xô dịch từ Mỹ năm 1960 - Cẩm nan Trạm thuỷ điện ; 12 - G. A. Plonsky - Thiết bị cơ khí thuỷ công, xuất bản năm 1959 . WwW.oto-hui.com 301 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU Phần I. TURBINE THỦY LỰC VÀ CÁC THIẾT BỊ T.LỰC CỦA TTĐ 1 Chương I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TURBINE THUỶ LỰC I. 1. Phân loại turbine thuỷ lực của TTĐ 3 I. 2. Turbine xung kích 4 I. 2. 1. Turbine xung kích gáo I. 2. 2. Turbine xung kích hai lần I. 2. 3. Turbine xung kích phun xiên I. 3. Turbine phản kích 8 I. 3. 1. BXCT của turbine tâm trục I. 3. 2. BXCT của turbine hướng trục I. 3. 3. BXCT của turbine hướng chéo I. 3. 4. Turbine dòng I. 3. 5. Turbine thuận nghịch Chương II. CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA TURBINE THUỶ LỰC 17 II. 1. Vòng bệ, cơ cấu hướng dòng, trục của turbine phản kích 17 II. 2. Thiết bị dẫn nước của turbine 20 II. 2. 1. Loại buồng hở II. 2. 2. Buồng hình ống II. 2. 3. Buồng xoắn ốc II. 3. Thiết bị tháo nước của turbine 31 II. 3. 1. Ống xả hình nón cụt II. 3. 2. Ống xả hình cong II. 3. 3. Ống xả khuỷu cong Chương III. HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC TRONG TURBINE THUỶ LỰC III. 1. Hiện tượng khí thực và tác hại 37 III. 2. Những biện pháp phòng chống khí thực 37 III. 3. Điều kiện xảy ra khí thực và hệ số khí thực 38 III. 4. Xác định cao trình đặt turbine 39 Chương IV. NGUYÊN LÝ CÔNG TÁC VÀ LUẬT TƯƠNG TỰ CỦA TB IV. 1. Dòng chảy trong turbine thuỷ lực 41 IV. 2. Phương trình cơ bản của turbine thuỷ lực 42 IV. 3. Luật tương tự và các đại lượng quy dẫn của turbine 44 IV. 3. 1. Các điều kiện tương tự IV. 3. 2. Các quan hệ của hai turbine tương tự IV. 3. 3. Các đại lượng quy dẫn IV. 3. 4. Vòng quay đặc trưng (tỷ tốc) IV. 3. 5. Tính toán hiệu suất của turbine thực từ mô hình WwW.oto-hui.com 302 Chương V. THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VĂ ĐẶC TÍNH TURBINE V. 1. Mô hình vật lý và hệ thống thí nghiệm 50 V. 1. 1. Hệ thống thí nghiệm hở V. 1. 2. Hệ thống thí nghiệm kín V. 2. Đường đặc tính của turbine 53 V. 2. 1. Đường đặc tính đơn V. 2. 2. Đường đặc tính tổng hợp V. 2. 3. Đường đặc tính tổng hợp của nhóm tổ máy V. 3. Xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành 59 Chương VI. CHỌN KIỂU LOẠI VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA TBTL VI. 1. Vấn đề chuẩn hoá TB và phạm vi sử dụng cột nước của TB 65 VI. 1. 1. Vấn đề chuẩn hoá VI. 1. 2. Phạm vi sử dụng cột nước của các loại turbine VI. 2. Những vấn đề chung khi chọn turbine 71 VI. 3. Lựa chọn turbine phản kích 73 VI. 3. 1. Chọn theo quy cách sản phẩm VI. 3. 2.Chọn theo bảng, biểu hệ loại và đường đặc tính tổng hợp VI. 3. 3. Các kích thước khác của BXCT turbine phản kích VI. 4. Chọn các thông số cơ bản của turbine xung kích 81 VI. 4. 1. Chọn thông số cơ bản của turbine gáo VI. 4. 2. Xác định kích thước của tủbine xung kích hai lần Chương VII. THIẾT BỊ ĐIỀU TỐC CỦA TURBINE THUỶ LỰC VII. 1. Nhiệm vụ của thiết bị điều tốc turbine 86 VII. 2. Các loại thiết bị điều tốc thủ công 87 VII. 3. Thiết bị điều tốc tự động 88 VII. 3. 1. Sơ đồ nguyên lý điều tốc trực tiếp VII. 3. 2. Các sơ đồ nguyên lý điều tốc đơn gián tiếp VII. 3. 3. Các sơ đồ điều tốc kép gián tiếp VII. 3. 4. Một số cơ cấu điều khiển của máy điều tốc VII. 3. 5 Thiết bị dầu áp lực của máy điều tốc VII. 4. Lựa chọn thiết bị điều tốc 95 VII. 4. 1. Chọn điều tôc loại nhỏ VII. 4. 2. Chọn điều tiết trung bình van lớn Chương VIII. MỘT SỐ THIẾT BỊ KHÁC CỦA TTĐ VIII. 1. Cửa van trên đường ống áp lực 102 VIII. 2. Các hệ thống thiết bị phụ thuỷ lực của TTĐ 105 VIII. 2. 1. Hệ thống thiết bị dầu VIII. 2. 2. Hệ thống cấp nước kỹ thuật VIII. 2. 3. Hệ thống khí nén VIII. 2. 4. Hệ thống tháo nước tổ máy WwW.oto-hui.com 303 VIII. 2. 5. Hệ thống cứu hoả trong nhà máy Phần II,a. CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN TUYẾN NĂNG LƯỢNG TTĐ Chương IX. KHÁI QUÁT VỀ THÀNH PHẦN VÀ BỐ TRÍ TTĐ IX. 1. Các thành phần của trạm thuỷ điện 111 IX. 2. Các sơ đồ bố trí TTĐ kiểu đập 112 IX. 3. Các sơ đồ bố trí TTĐ kiểu đường dẫn 115 Chương X. CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC CỦA TRẠM THUỶ ĐIỆN X. 1. Phân loại các công trình lấy nước của TTĐ 120 X. 2. Các thành phần của công trình lấy nước 121 X. 2. 1. Lưới chắn rác và thiết bị dọn rác X. 2. 2. Cửa van X. 2. 3. Thiết bị nâng hạ, vận chuyển X. 3. Công trình lấy nước mặt 127 X. 4. Công trình lấy nước dưới sâu 131 Chương XI. BỂ LẮNG CÁT CỦA TRẠM THUỶ ĐIỆN XI. 1. Công dụng và phân loại bể lắng cát 140 XI. 2. Tính toán thuỷ lực bể lắng cát 144 Chương XII. CÔNG TRÌNH DẪN NƯỚC CỦA TTĐ XII. 1. Khái niệm về công trình dẫn nước của TTĐ 150 XII. 2. Đường dẫn nước của trạm thuỷ điện 150 XII. 2. 1. Chọn tuyến đường dẫn và hình dạng đường dẫn XII. 2. 2. Tính toán kết cấu đường hầm dẫn nước của TTĐ XII. 3. Kênh dẫn của trạm thuỷ điện 154 XII. 3. 1. Chọn tuyến kính vă hình thức tuyến kính XII. 3. 2. Cấu tạo mặt cắt kính XII. 3. 3. Kênh tự động và không tự động điều tiết XII. 4. Tính toán thuỷ lực đường dẫn 159 XII. 4. 1. Tính thuỷ lực đường dẫn không áp XII. 4. 2. Tính thuỷ lực đường dẫn có áp XII. 4. 3. Tính tổn thất thuỷ lực và năng lượng của đường dẫn TTĐ XII. 5. Lựa chọn mặt cắt kinh tế đường dẫn TTĐ 163 XII. 6. Bể áp lực của Trạm thuỷ điện 165 XII. 6. 1. Cấu tạo và các phần của bể áp lực XII. 6. 2. Các sơ đồ bố trí tổng thể bể áp lực XII. 6. 3. Tính toán xác định kích thước và ổn định bể áp lực Chương XIII. ĐƯỜNG ỐNG TURBINE XIII. 1. Khái quát đường ống turbine 171 XIII. 1. 1. Phân loại đường ống turbine XIII. 1. 2. Chọn tuyến và bố trí đường ống turbine XIII. 2. Đường ống thép 174 WwW.oto-hui.com 304 XIII. 2.1.Cấu tạo đường ống thép và các bộ phận thiết bị công trình XIII. 2. 2. Tính toán đường ống thép XIII. 3. Đường ống bêtông cốt thép 189 XIII. 3. 1. Phân loại cấu tạo lắp đặt đường ống XIII. 3. 2. Tính toán kết cấu ống bêtông cốt thép Chương XIV. NƯỚC VA VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC KHÔNG ỔN ĐỊNH XIV. 1. Khái niệm cơ bản về nước va và các chế độ chuyển tiếp TTĐ 194 XIV. 1. 1.Hiện tượng nước va trong đường ống áp lực của TTĐ XIV. 1. 2. Các chế độ chuyển tiếp khi điều chỉnh tổ máy thuỷ lực XIV. 2. Tính toán nước va trong đường ống đàn hồi 198 XIV. 2. 1. Cơ sở lý thuyết của nước va trong ống đàn hồi XIV. 2. 2. Tính toán nước va bằng phương pháp giải tích XIV. 2. 3. Tính toán nước va bằng phương pháp đồ giải XIV. 3. Biện pháp giảm áp lực nước va trong đường ống 218 XIV. 4. Tính toán bảo đảm điều chỉnh tổ máy thuỷ lực 219 Chương XV. BUỒNG ĐIỀU ÁP CỦA TRẠM THUỶ ĐIỆN XV. 1. Công dụng vă nguyên lý làm việc của buồng điều áp 223 XV. 2. Các loại buồng điều áp 224 XV. 2. 1. Các loại buồng điều áp XV. 2. 2. Kết cấu buồng điều áp XV. 2. 3. Lựa chọn buồng điều áp XV. 3. Phương trnh vi phđn cơ bản của buồng điều áp 230 XV. 3. 1. Phương trnh động lực học XV. 3. 2. Phương trình liên tục XV. 4. Tính toán thuỷ lực buồng điều áp bằng phương pháp g.tích 232 XV. 4. 1. Tính toán thuỷ lực buồng điều áp hnh trụ XV. 4. 2. Tính toán thuỷ lực buồng điều áp có kết cấu cản XV. 4. 3. Tính toán thuỷ lực buồng điều áp hai buồng XV. 5. Tính toán thuỷ lực buồng điều áp bằng phương pháp đồ giải 240 XV. 5. 1. Đồ giải đối với BĐA hình trụ XV. 5. 2. Đồ giải đối với BĐA có cản XV. 5. 3. Đồ giải đối với BĐA hai buồng XV. 6. Vấn đề ổn định hệ thống buồng điều áp 246 XV. 7. Khái quát về thiết kế buồng điều áp 247 Phần II.b. NHÀ MÁY CỦA TRẠM THUỶ ĐIỆN Chương XVI. NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN VÀ CÁC THIẾT BỊ TRONG NM XVI. 1. Khái quát về thành phần nhà máy thuỷ điện 248 XVI. 1. 1. Nhà máy thuỷ điện và bố trí thiết bị trong nhă mây XVI. 1. 2. Phân loại nhà máy thuỷ điện WwW.oto-hui.com 305 XVI. 2. Đặc điểm và cấu tạo của các loại nhà máy thuỷ điện 250 XVI. 3. Các thiết bị trong nhà máy thuỷ điện 256 XVI. 3. 1. Máy phát điện của trạm thuỷ điện XVI. 3. 2. Cầu trục trong nhà máy thuỷ điện XVI. 3. 3. Mây biến âp XVI. 3. 4. Bố trí thiết bị phụ trong nhà máy thuỷ điện XVI. 4. Kếu cấu và kích thước nhà máy thuỷ điện 269 1. Bố trí và kết cấu phần trín nhà máy TĐ 2. Bố trí và kết cấu phần dưới nhà máy TĐ 3. Xác định kích thước nhà máy TĐ 4. Gia cố lòng sông ở hạ lưu nhà máy TĐ Chương XVII. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ KẾT CẤU PHẦN DƯỚI NHÀ MÁY TRẠM THỦY ĐIỆN XVII.1.Tính toán ổn định trượt và ứng suất dưới bản đáy NMTĐ 279 XVII. 2. Tính toán độ bền phần dưới của nhà máy TĐ 282 XVII. 2. 1. Tính toán độ bền chung của nhà máy TĐ XVII. 2. 2. Tính toán độ bền cục bộ phần dưới của nhà máy TĐ I. Tính kết cấu bệ máy phát điện trục đứng II. Tính toán kết cấu buồng xoắn III. Tính toán kết cấu ống xả TĂI LIỆU THAM KHẢO 300 MỤC LỤC WwW.oto-hui.com