Chuyên đề 13 : Cửa van, máy đóng mở và thiết bị cơ điện thuỷ công của đập bê tông đầm lăn định bình

Thiết bị đóng mở cửa tràn xả lũ của công trình Định Bình có sức nâng lớn, hành trình dài nên đã dùng phương án đóng mở cửa tràn và cửa xả sâu bằng xi lanh thuỷ lực.. Đáy van được bố trí

Bé N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n

Tr−êng §¹i häc Thñy lîi

B¸O C¸O KÕT QU¶

Nội dung

I- ĐẶT VẤN ĐỀ

II- CỬA VAN, MÁY ĐểNG MỞ VÀ THIẾT BỊ CƠ ĐIỆN THUỶ CễNG

2.1 Đặc điểm và hỡnh thức cửa van

2.1.1.Cửa van tràn xả mặt

2.1.2 Cửa xả đỏy

2.1.3 Cống lấy nước vào nhà mỏy thuỷ điện

2.1.4 Cống lấy nước vào kờnh Vĩnh Thạnh

2.1.5 Cống lấy nước vào kờnh Vĩnh Hiệp

2.2 Đặc điểm mỏy đúng mở

III VỀ THIẾT KẾ CHẾ TẠO CỬA VAN VÀ MÁY ĐểNG MỞ

3-1 Vật liệu và cường độ tính toán

3.7 cửa cung xả đáy

3.8 Cửa sửa chữa phía trước

IV MộT Số BàI HọC KINH NGHIệm Và KIếN NGHị

4.1 Bài học kinh nghiệm

4.2 Kiến nghị

Tài liệu tham KHảO

I- ĐẶT VẤN ĐỀ

Hồ chứa nước định bình

Công trình Định Bình với nhiệm vụ :

-Chống lũ tiểu mãn, lũ sớm, lũ muộn tần suất 10%, giảm nhẹ lũ chính vụ cho dân sinh

- Cấp nước tưới cho nông nghiệp, trước mắt cho diện tích 15.515 ha, sau này nâng lên 27.600, ha đến 34.000, ha

-Cấp nước cho công nghiệp nông thôn và dân sinh

-Xả về hạ lưu Q = 3m3/s bảo vệ môi trường, chống cạn kiệt dòng chẩy và xâm nhập mặn cửa sông

- Kết hợp phát điện, N = 6600, KW

Để thực hiện được nhiệm vụ trên, công trình đầu mối đã bố trí các loại cửa van: Cửa van tràn, cửa van xả sâu, cửa van vào nhà máy thuỷ điện, cửa van lấy nước tưới

Đây là công trình mà cửa xả măt có khẩu độ tương đối lớn, cửa xả đáy có cột nước vào loại cao nhất do Việt Nam thiết kế, chế tạo

Đi theo các cửa van có các thiết bị đóng mở tương ứng cho mỗi loại cửa Thiết

bị đóng mở cửa tràn xả lũ của công trình Định Bình có sức nâng lớn, hành trình dài nên đã dùng phương án đóng mở cửa tràn và cửa xả sâu bằng xi lanh thuỷ lực Để đảm bảo an toàn khi vận hành, các thiết bị đóng mở phải nhập ngoại

II- CỬA VAN, MÁY ĐÓNG MỞ VÀ THIẾT BỊ CƠ ĐIỆN THUỶ CÔNG

2.1 Đặc điểm và hình thức cửa van

2.1.1.Cửa van tràn xả mặt

• Cao trình ngưỡng tràn:∇dd =80,93m

• Cao trình mực nước dâng bình thường:∇MNBT =91,93m

• Cao trình mực nước gia cường TK:∇GCTK =93,27m

• Số lượng cửa: 6 cửa

• Kích thước một cửa: BxH=14x11m

• Chiều rộng xả mặt : ∑B xm = 6x14 = 84m

• Lưu lượng thiết kế Q 4637m3 /s

% 5 ,

0 = 7

• Lưu lượng kiểm tra Q 5530m3 /s

% 1 ,

0 =

• Loại cửa : Van cung,

bán kinh cong bản mặt R=1,455H=16m

86,266 91,93 92,57

80,176

Hinh 1

R=16m

• Cao trình đáy cửa:∇dc =80,34m Thiết bị đóng mở: Xi lanh thuỷ lực

Nhận xét: Tràn xả mặt chọn hình thức cửa cung là hợp lý , đối chiếu với kinh nghiệm của Nga với kích thước BxH=14x11m thì chọn cửa van cung là phù hợp với đồ thị phạm vi áp dụng cửa van cung(đường 1, hình 2)

Bán kính cong bản mặt thông thường lấy R= (1,2 - 1,5) H , ở dây chọn R=1,455H

là phù hợp

Việc bố trí đáy van ở ∇ng =80,34m thấp hơn đỉnh đập (▼=80,93) là hợp lý vì hạ

thấp đáy van so với đỉnh đập cũng là giải pháp tăng góc nghiêng giữa phương của dầm chính dưới cửa van để giảm khả năng sinh chân không dưới đáy van khi mở van

Chiều dầy bản mặt thép tính toán là 7,5mm , được chọn là 12mm (K=1,6), cửa van làm việc trong môi trường nước ngot ,như vậy là quá an toàn không kinh tế

Dầm chính cửa van chọn hình thức dầm chính consol 2 đầu, trong khi nhịp đến 14m, vì vậy trong thiết kế cần so sánh với phương án dàn để chọn được hình thức tiết kiệm thép

Hình 2. Đồ thị kích thước lỗ, đóng bằng cửa van: 1- van cung

2-van trụ lăn

0 =

• Lưu lượng kiểm tra Q 2766m3 /s

% 1 ,

• Loại cửa : Van cung, bố trí hạ lưu ,

bán kính cửa R =7,5m

• Thiết bị đóng mở: Xi lanh thuỷ lực

• Tiêu năng: Bể, tường kết hợp

Hình 4. Cửa van vừa được lắp đăt

Nhận xét: cửa xả đáy chọn hình thức cửa cung là hợp lý , đối chiếu với kinh nghiệm của Nga với kích thước BxH = 6x5m thì chọn cửa van cung là phù hợp với

đồ thị phạm vi áp dụng cửa van cung (Trong phạm vị đường bao 1, hình 13.2)

Bán kính cong bản mặt thông thường lấy R = (1,2 - 1,5) H

Ở đây chọn R = 1,5H = 7,5m là phù hợp

Đây là công trình mà cửa tràn có khẩu độ khá lớn, cửa xả đáy có cột nước cao nhất

từ trước tới nay do Việt Nam tự thiết kế và chế tạo Nâng hạ cửa van bằng xi lanh

65,50

59,50

Hình 3

64,5 91,934

R=7,5m

thuỷ lực là giải pháp đã được sử dụng ở nước ta một số năm gần đây Những kinh nghiệm thiết kế và thi công lắp đặt cơ chế đóng mở bằng xi lanh thuỷ lực hy vọng

sẽ được khắc phục những tồn tại ở công trình Định Bình

Đáy van được bố trí ở ∇ng =59,50m , tâm quay bố trí ở cao trình (▼=65,50m) tạo

ra góc nghiêng giữa phương của dầm chính dưới cửa van (chiều cao dầm chính 1m)

và ngưỡng tạo thành góc 15o05 sẽ có khả năng sinh chân không dưới đáy van khi

mở van, nên cần khoét lỗ ở bụng dầm chính dưới

Dầm phụ dưới cùng sử dụng dầm chữ [ № 30 đặt ngửa dễ đọng nước và bùn cát

tạo cơ chế ăn mòn nên cần tạo lỗ khoét ở dầm này

Bộ phận cửa sự cố của cửa xả đáy được kết cấu bởi 2 cửa (của trên và cửa dưới) để giảm lực đóng mở Phần kết cấu dầm bố trí khá hợp lý Nhưng chiều dầy bản mặt

hạ lưu chọn bằng chiều dầy bản mặt thượng lưu (10mm) là không cần thiết, mà nên chọn 8mm vì bản mặt này chỉ tăng cường độ cứng cho các dầm , không chịu áp lực nước trực tiếp như bản mặt thượng lưu Cần chú ý vấn đề kín nước giữa cửa trên và cửa dưới Vì vậy độ võng dầm đỉnh cửa dưới phải<độ võng của dầm dáy cửa trên Dầm chính của cửa xả đáy chọn hình thức tiết diện đặc là hợp lý vì nhịp dầm chỉ có

6 m, lực cắt trong dầm lớn Tuy vậy trong tính toán kiểm tra độ bền không thấy đề cập đến ứng suất cắt.Tôn bưng chọn khá an toàn với hệ số an toàn đạt đến K= 1,3

2.1.3 Cống lấy nước vào nhà máy thuỷ điện

• Cao trình ngưỡng :∇ ng = 60 , 00 m Đường kính ống Do=2,8m

• Khẩu diện cống 2,8x2,8m

• Lưu lượng thiết kế Q TK =37,78m3/s

• Chế độ chảy trong ống: có áp, van côn hạ lưu D= 2,0 m

• Cửa van phẳng đầu cống BxH = 2,8x2,8m

Bình luận:

Kết cấu cửa phẳng loại nhiều dầm chính là phù hợp.Kích thước tiết diện dầm

5

1 3

2.1.4 Cống lấy nước vào kênh Vĩnh Thạnh

• Cao trình ngưỡng :∇ ng = 63 m

• Đường kính ống φ = 1,00 m

• Lưu lượng thiết kế Q TK = 1 , 70m3 /s

• Chế độ chảy trong ống: có áp, van côn hạ lưu đóng mở bằng xi lanh thuỷ lực

2.1.5 Cống lấy nước vào kênh Vĩnh Hiệp

• Cao trình ngưỡng :∇ng =63,00m

• Đường kính ống φ =1,00m

• Lưu lượng thiết kế QTK = 1 , 10 m3 / s

• Đầu cống bố trí cửa van phẳng BxH=2,8x2,8m

• Chế độ chảy trong ống: có áp, van côn hạ lưu

Nhận xét: Cống lấy nước vào kênh Vĩnh hiệp chọn hình thức cửa van phẳng là

hợp lý

2.2/ Đặc điểm máy đóng mở

Tràn xả lũ công trình đầu mối Định Bình có sức nâng lớn, hành trình dài, độ an toàn đòi hỏi rất cao do vậy các thiết bị đóng mở phải nhập ngoại

Ở đây cửa tràn, cửa xả đáy đóng mở bằng xi lanh thuỷ lực có ưu điểm:

- Thiết bị nhỏ, gọn, công suất và động năng nhỏ vẫn có thể tạo được lực nâng

và hành trình lớn Trên trụ pin không cần bố trí dàn cầu công tác Nhờ vậy giảm được khối lượng kết cấu thuỷ công

- Tốc độ nâng cửa nhanh hơn nhiều lần so với các thiết bị đóng mở khác, đáp ứng được yêu cầu xả lũ của công trình

-Đóng mở băng xi lanh thuỷ lực cho khả năng vừa nâng vừa ấn mà máy tời kể

cả tời xích không có được

- Dùng xi lanh thuỷ lực có thể trang bị kèm các thiết bị hiện đại khác làm tăng

độ an toàn cho công trình trong quá trình vận hành

III VỀ THIẾT KẾ CHẾ TẠO CỬA VAN VÀ MÁY ĐểNG MỞ

3-1/ Vật liệu và cường độ tính toán

3.1.1 Thép làm cửa van:

Các chi tiết cửa van như: tôn bưng, dầm chính, càng được thiết kế với loại thép hợp kim thấp có ký hiệu 09Mn2 theo tiêu chuẩn của Việt nam TCVN 3104 – 1979, loại thép 09Mn2 có ứng suất cho phép tính theo trạng thái giới hạn như sau:

- ứng xuất cho phép khi tính uốn RX = 1992 kg/ cm2

- ứng suất cho phép tính toán RX = 1992 kg/ cm2

- ứng suất cho phép khi cắt RC = 1140 kg/cm2

3.1 2 Thép làm trục : Trục bánh xe lăn, trục bản lề cối, trục bánh xe cữ được thiết

kế dùng thép kết cấu hợp kim có ký hiệu 40X theo ΓOCT 4543 71 của Nga

- ứng suất cho phép của trục khi tính uốn σu = 2592 kg/cm2

- ứng suất cho phép của trục khi chịu kéo, nén σk = 2469 kg/cm2

- ứng suất cho phép khi chịu cắt σc = 1481 kg/cm2

3.1 3 Thép làm bánh xe lăn được thiết kế kiểm tra và yêu cầu chế tạo dùng loại thép đúc CT40 Л của Nga hoặc chủng loại thép của nước khác có tiêu chuẩn

về cơ lý tính tương đương

Giới hạn bền kéo cho phép của thép làm bánh xe [σ]R = 8030 kg/cm2

3.1 4 Thép làm bản lề cối thép đúc CT35 Л có yêu cầu nhiệt luyện

RU = 1800 kg/cm2

RK = 1713 kg/cm2

RC = 1029 kg/cm2 3.1 5 Đối với các loại bu lông đai ốc dùng trong chế tạo được thiết kế để chế tạo là loại thép tương đương với thép có ký hiệu CT51 theo TCVN 1765 – 1975, có:

- giới hạn chảy σch = 2800kg/cm2

- Khi tính kiểm tra đìều kiện về ép: [σ]R = 2016 kg/cm2

- Khi tính kiểm tra điều kiện về cắt [σ]C = 1209 kg/cm2

3.1 6 Bạc của các trục bánh xe lăn và bạc của trục cối quay: dùng đồng thanh có giới hạn [σ]K = 250kg/cm2

3.1 7 Cao su kín nước yêu cầu của thiết kế khi cung cấp phải đạt được tối thiểu các cơ lý tính như bảng tổng hợp sau:

Bảng 1 Các chỉ tiêu cơ lý của cao su kín nước

TT Tên gọi chỉ tiêu Tiêu

chuẩn

Phương pháp thử (tham khảo của Nga)

1 Giới hạn ổn định khi giật đứt (kg/cm2) ≥ 180 GOST 270 -75

2 Độ dãn dài tương đối khi kéo đứt ≥ 500 % Mẫu loại 1 dày 2mm

3 Độ dãn dài tương đối còn dư sau kéo đứt ≤ 50 % Mẫu loại 1 dày 2mm

6 Hệ số loã hoá theo “Gh” sau 114 giờ ở

3-2/ Cửa cung xả mặt B x H = 14 x 11 m 2 , R = 16 m (pA MNDBT)

Thành phần áp lực ngang:

Png = H B 1 11 , 59 14 940 , 2967T

2

1 2

2

9 , 0 75 , 0

ì +

(lần) như vậy chọn bản mặt là quá an toàn và lãng phí vật liệu Tuy nhiên với khẩu

độ lớn ( Cửa van cung có kích thước lớn) BxH = 14m x 11m thì kinh nghiệm thiết kế

Hỡnh 5

cửa van cung cũng như kinh nghiệm chế tạo thiết bị trong nước còn hạn chế nên chọn bản mặt có chiều dày như vậy cũng coi như có thể chấp nhận được

3 2.3 Cối cửa cung được kiểm tra

* Kiểm tra trục cối quay: M = 38,85 Tm

Trục φ 380 ta có: WX = 0,1 x d3 = 5487,2 cm3

X

cm kg W

2 2

τ +

+

R

r R

Tuy nhiên cũng như trên đã nhận xét với khẩu độ lớn (Cửa van cung có kích thước lớn) BxH = 14mx11m, kinh nghiệm thiết kế cửa van cung cũng như kinh nghiệm chế tạo thì chọn kiểu cối có kết cấu thông dụng và cũng đã trải qua một vài công trình có kết cấu tương tự thì yên tâm cho công các quản lý, kiểm tra

3 2.4 Hệ thống đóng mở cửa van cung

M

62 , 75 )

( 2 , 1 09

=

ư +

ư

* Máy đóng mở đ−ợc thiết kế và chọn có các thông số nh− sau:

Xi lanh thuỷ lực (2 xi lanh cho cửa), mỗi xi lanh có Px>Tn/2

áp suất đầu bơm P = 180 bar

Png = 1 12,22 14 1045,2988

2

1 2

2 1

2

1cos.sin2180

2

Với cửa cung có khẩu diện lớn thường nhà thiết kế tính đến phương án dùng

03 dầm chính Trong thiết kế cũng có kiểm tra đầy đủ các thành phần lực, ứng suất,

độ võng Các kích thước dầm được chọn đều an toàn.Nhưng nếu xét về mặt kinh tế thì trong thiết kế nên có phương án so sánh với trường hợp dùng dàn chính Vì dàn chính chịu uốn rất tốt và tránh được hiện tượng chân không khi mở van Tuy nhiên với cửa tràn Định Bình chịu cột nuớc khá lớn( H=11m) thì chọn dầm chính cửa van dạng dầm hoặc dạng dàn vấn đề kinh tế cũng không khác biệt nhiều

3-4 Cöa van ph¼ng ®Çu cèng (H×nh 7)

max

L L xL q

Dầm thiết kế đã chọn: Dầm I400 x200 x15 (Bụng δ = 8)

0 >

=

L f

Khi có kể đến sự tham gia chịu lực của bản mặt thì dầm được chọn là an toàn

2 429 / 14

, 3

xd

xP F

7103

418 ,

b

E P

k

π δ

+ Tính lực đóng mở cửa:

Cửa được đóng mở ở cột nước ∆H = 31,93 m P = 256,4T

- Lực nâng cửa: Pη = ηG (Gcửa + G cán) + ηm (Tx + Ty) + Pck = 46,07 T

- Lực hạ cửa: Ph = (Gcửa + Gc) – (Tc + Ty) = 12,85T

+ Máy đóng mở được thiết kế chọn là loại xilanh có các thông số sau:

- áp suất đầu bản P = 180 bar

3.5.1 Máy đóng mở được thiết kế chọn là loại xi lanh thuỷ lực:

+ áp suất đầu bơm Pb = 150 bar

Cửa van côn cũng đã được tính toán tường đối là hoàn chỉnh cho 01 phương

án góc côn, nhưng nếu có thể tính thêm các phương án góc nghiêng khác nhau của

độ côn thì sẽ cho được kết quả lựa chọn góc côn loe hợp lý , tiêu năng tốt hơn

Máy đóng mở, như thiết kế tính toán lực đóng mở và đề xuất dùng xilanh thuỷ lực cũng là phương án tương đối tối ưu cho hệ thống van côn tiêu năng sau công, nhưng dể tiết kiệm cung có thể dùng máy đóng mở kiểu vít me có 02 trục dẫn động

được, vì giá thành của máy vít rất rẻ, rẻ hơn nhiều so vói hẹ thống thuỷ lực của xilanh, ngoài ra khi bảo dưỡng vận hành cũng đơn giản

3.6.Van côn đuôi cống sông Vĩnh Thạnh

3.6.1 Thông số kỹ thuật

- Cột nước thiết kế và cột ước thấp nhất ∆Htk = 29,53m và ∆Hmin = 2,6m

/m

- Đường kính van Dv = 1000 m

- Hành trình được chọn Smax = 0,4m

- Tính lực đóng mở: TK = T + T2 + T3 + P = 5940,5 kg

3.6.2 Máy đóng mở được thiết kế chọn là loại xi lanh thủy lực có:

+ áp suất đầu bơm Pb = 150 bar

Máy đóng mở, như thiết kế tính toán lực đóng mở và đề xuất dùng xilanh thuỷ lực cũng là phương án tương đối tối ưu cho hệ thống van côn tiêu năng sau công, nhưng dể tiết kiệm cung có thể dùng máy đóng mở kiểu vít me có 02 trục dẫn động

được, vì giá thành của máy vít rất rẻ, rẻ hơn nhiều so vói hẹ thống thuỷ lực của xilanh, ngoài ra khi bảo dưỡng vận hành cũng đơn giản

3.7 cửa cung xả đáy (Hình 13-8)– BXH = 6x5; ∆H = 32,43M

3.7.1 Các thông số kỹ thuật:

- Mực nước cao nhất ở thượng lưu: ∇ 92,79m

- Mực nước dâng bình thường(cửa bắt đầu mở để xả đáy): ∇ 91,93m

R

H R

90,7T/m

- Tæng ¸p lùc ph©n bè: q= q d2 +q n2 = 152 , 4 2 + 0 , 7 2 = 177 , 40T/m

- Gãc t¹o bëi ph−¬ng ngang cña tæng ¸p lùc n−íc: γ = 30 0 45 '

- ¸p lùc t¸c dông lªn toµn bé cöa:

+ Theo ph−¬ng ngang: Qn = 152,4 x 6,2 = 944,88 tÊn

Hình 8

872580 = cm

ư

Nhận xét:

Với kết cấu dầm chính đã được kiểm tra tính toán là hợp lý

3.7.5 Càng van: được thiết kế chọn càng là dầm tổ hợp ghép có kích thước như sau:

- Lực hạ cửa: Tb = -7,4tấn Cửa không tự hạ được mà phải ấn

Hệ thống đóng mở được chọn là loạixi lanh thuỷ lực

- Đường kính piston: D = 280 mm

- Đường kính cần piston: d = 160 mm

- Hành trình cần thiết: S = 4400 mm

- Xi lanh làm việc hai chiều

- áp lực dầu của xi lanh: P = 200 bar

- Tốc độ nâng hạ của xi lanh: v = 0,6 m/ph

- Lưu lượng dầu khi nâng cửa: Q = 50,0 lít/phút

- Tốc độ hạ cửa: vh = 0,41

- Thời gian nâng cửa: To = 7,5 phút

Nhận xét:

Với cửa cung đang dùng thì cần xem xét các phương án kết cấu của cửa van:

để giảm được lực đóng mở, khi bảo dưỡng vận hành cũng đơn giản, chi phí thấp Ở

đây tác giả thiết kế chưa tính đến phương án dùng chắn nước lệch tâm, với chắn nước lệch tâm thì cửa van vận hành đảm bảo sẽ bền hơn, lực đóng mở nhỏ, tuy nhiên yêu cầu về kín nước cũng khắt khe hơn, chế tạo phức tạp, đồi hỏi trình độ của nhà chế tạo phải kinh nghiệm và chuyên nghiệp

Trong thiết kế cửa van cung xả đáy như tác giả thiết kế đã đưa ra về kết cấu, tất cả

đều đảm bảo an toàn, tuy nhiên trong thiết kế cũng cần đưa ra các phương án kết cấu khác nhau như đưa ra các phương án số lượng dầm chính khác nhau, kết cấu dầm chính khác nhau(đầm hoặc dàn), càng cửa van cũng cần xem xét các phương

án kết cấu khác nhau chẳng hạn ở đấy tác giả thiết kế càng cửa van có dạng dầm ghép, cũng nên đề xuất phương án dùng dầm kiểu hộp, với đầm hộp chắc chắn khoẻ hơn, tuy nhiên yêu cầu chế tạo cung đòi hỏi khắt khe, kinh nghiệm chế tạo cao.Loại kết cấu hộp ghép đang được các nước ứng dụng nhiều( Hình 9)

3.8 Cửa sửa chữa phía trước