Năng lượng điện có vai trò vô cùng to lớn trong sự phát triển văn hóa, kinh tế và đời sống nhân loại. Nhu cầu điện năng của cả thế giới tăng ngày càng mạnh hòa nhịp với tốc độ tăng trưởng của nền kinh tế chung vì vậy sản xuất điện năng ngày càng phát triển mạnh. Nguồn năng lượng chủ yếu là nhiệt điện than, nhiệt điện khí đốt, thủy điện, điện nguyên tử và một số nguồn năng lượng khác như năng lượng gió, năng lượng mặt trời… Do vị trí địa lý của Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm mưa nhiều, nên đất nước ta có nguồn tài nguyên thủy năng tương đối lớn. Phân bố địa hình trải dài từ Bắc vào Nam với bờ biển hơn 3400 km cùng với sự thay đổi cao độ từ hơn 3100 m cho đến độ cao mặt biển đã tạo ra nguồn thế năng to lớn do chênh lệch địa hình tạo ra. Theo nghiên cứu của tập đoàn Điện lực Việt Nam, Việt Nam có thể khai thác được nguồn công suất thủy điện vào khoảng 25.000 26.000 MW, tương ứng với khoảng 90 100 tỷ kWh điện năng. Tuy nhiên, trên thực tế, tiềm năng về công suất thủy điện có thể khai thác còn nhiều hơn.Theo kinh nghiệm khai thác thủy điện trên thế giới, công suất thủy điện ở Việt Nam có thể khai thác trong tương lai có thể bằng từ 30.000 MW đến 38.000 MW và điện năng có thể khai thác được 100 110 tỷ kWh. Tổng công suất thủy điện của Việt Nam trên lý thuyết vào khoảng 35.000MW, trong đó 60% tập trung tại miền Bắc, 27% phân bố ở miền Trung và 13% thuộc khu vực miền Nam. Đến năm 2013, tổng số dự án thủy điện đã đưa vào vận hành là 268, với tổng công suất 14.240,5 MW. Năm 2014, thủy điện chiếm khoảng 32% trong tổng sản xuất điện. Cho đến nay các dự án thủy điện lớn có công suất trên 100MW hầu như đã được khai thác hết. Tại Việt Nam, các nguồn thủy điện có công suất đến 30MW thì được phân loại là thuỷ điện nhỏ. Các nguồn thủy điện có công suất lớn hơn gọi là thủy điện lớn 7. Các thiết bị bố trí trong nhà máy thủy điện được chia thành các loại: thiết bị động lực ( tuabin, máy phát điện), thiết bị cơ khí thủy công, thiết bị phụ, thiết bị điện. Các thiết bị cơ khí thủy lực: Các thiết bị cơ khí thủy lực của hệ thống nhà máy thuỷ điện bao gồm các thiết bị như tua bin, máy và thiết bị phát điện ..
TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN TRONG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI
Các cửa van và phân loại cửa van
Việt Nam vốn là nước nông nghiệp,có khí hậu nhiệt đới mưa nhiều,với hệ thống sông ngòi dày đặc và bờ biển dài.Lượng mưa nhiều nhưng không đều quanh năm mà theo mùa,theo vùng Vì vậy để có thể điều hòa nước quanh năm,phục vụ nhiều mục đích khác nhua người ta phải tích nước trong hồ đập,giữ nước trên sông…Từ hồ chứa nước,nước được điều tiết về các nhánh để sử dụng theo các mục đích khác nhau.muốn đảm bảo lượng nước đủ dung sinh hoạt,tưới tiêu,sản xuất nông nghiệp,giao thông …cần có hệ thống cửa van để điều tiết và khống chế lượng nước phù hợp đảm bảo cho các công trình thủy lợi đạy hiệu suất cao nhất.Vì vậy các loại cửa van được sử dụng rất phong phú và đa dạng.
Tiêu biểu như những cửa van trên các công trình:
Hình 1 1: Cửa van thủy điện Sơn La
Từ những cửa van phẳng trượt loại nhỏ bằng bê tông cốt thép để điều tiết nước cho hệ thống kênh mương của các cánh đồng đến những cửa van phẳng, cung bằng thép có khẩu độ lớn hàng chục mét của các công trình thủy lợi, thủy điện Trên rộng khắp cả nước, hàng trăm công trình thủy lợi lớn nhỏ đã và đang phát huy hiệu quả góp phần không nhỏ vào sự phát triển vững mạnh không chỉ của nên nông nghiệp mà còn là sự phát triển kinh tế của nước nhà
Cửa van được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau thuộc kỹ thuật thủy lợi thủy điện Các ứng dụng chính bao gồm:
2 Bảo vệ các thiết bị, cửa cấp cứu lắp đặt phía trước tuabin
3 Điều khiển mực nước trong hồ chứa cho các mục đích dự phòng hoặc ở gần khu dân cư hoặc khu vực không có lũ
4 Giữ ổn định mực nước trong hồ chứa
5 Làm sạch đáy hồ chứa, xả rác trôi nổi trong hồ (thân cây gãy, băng đá)
6 Điều tiết dòng chảy trong đập
7 Bảo dưỡng các thiết bị lắp đặt sau tuabin, phía trước đập tràn
8 Đóng kín ống dẫn dòng
9 Lấy nước cho tưới tiêu, cung cấp nước
1.1.1.1 Theo mục đích sử dụng phân thành
Cửa van dùng để điều tiết liên tục dòng chảy và mực nước:
- Cửa đập tràn: Dùng để xả nước trên mặt đập khi lưu lượng nước về hồ chứa vượt quá mực nước cho phép chứa trong hồ
- Cửa xả đáy: Dùng để xả nước dưới đáy đập khi lưu lượng nước về hồ chứa vượt quá mực nước cho phép trong hồ
- Cửa âu thuyền (Khoang âu thuyền và cống lấy nước): Dùng để điều tiết mực nước trong âu thuyền để cho phép tàu bè, giao thông qua lại trên công trình ngăn nước
- Cửa tự động điều tiết lũ: Tự động đóng hoặc mở khi có lũ và thủy triều lên
- Cửa bảo hiểm thỉnh thoảng được sử dụng để chặn dòng nước trong ống dẫn hoặc kênh Cửa được thiết kế để vận hành bình thường ở vị trí đóng hoặc mở Chỉ trong những vị trí đặc biệt, có thể những cửa này được xử dụng để mở một phần
1.1.1.2 Các loại cửa van được coi là cửa khẩn cấp
- Cửa van lắp đặt phía trước cửa van vận hành của ống áp lực
- Cửa đường ống ra của tuabin Kaplan
- Cửa lắp đặt phía trước cửa xả đáy
Chỉ được mở khi áp suất nước cân bằng và chức năng chính của cửa là cho phép tạo khoảng trống, khô ráo trong kênh hoặc đường ống để sửa chữa các thiết bị chính (tuabin, bơm, hoặc thậm chí là cửa van khác) Loại cửa van sửa chữa thông thường là các loại phai.
Cửa van được sử dụng cho dẫn dòng thi công Loại này được sử dụng để đóng kín cửa dẫn dòng khi thi công xong công trình, để tích trữ nước vào hồ chứa
1.1.2 Theo nguyên tắc vận hành phân thành
1.1.2.1 Cửa van tịnh tiến là cửa van khi đóng mở kéo theo chiều thẳng đứng
Cửa bánh xe: Gối tựa động dùng bánh xe hay con lăn Khi nâng hạ cửa van phải khắc phục ma sát lăn của gối tựa động và ma sát trượt của gioăng kín nước
Cửa trượt: Đối với cửa trượt, cánh cửa được di chuyển dọc theo khe van. Khi di chuyển cửa van khắc phục lực ma sát trượt giữa phần tĩnh và gối tựa của phần động và gioăng kín nước
1.1.2.2 Cửa quay là cửa khi đóng mở quay quanh một trục cố định gọi là trục bản lề
- Cửa van quay theo trục đứng: Cửa chữ nhân thì trục đứng ở gần tường của khoang cửa, cửa cung trục đứng (rẻ quạt)
- Cửa quay theo trục bản lề nằm ngang trên ngưỡng: Cửa sập, cửa cung, cửa sập kín, cửa cổng, viên phân quay
1.1.2.3 Cửa van vừa quay vừa tịnh tiến
Cửa trụ ngang (trụ lăn) là cửa duy nhất khi đóng mở cửa van vừa tịnh tiến vừa quay xung quanh mình nó Kết cấu cửa dạng trụ với trục ngang quay trong giá răng lắp đặt ở rãnh nghiêng mỗi trụ pin
1.1.3 Theo dòng chảy tương quan với vị trí đặt cửa
1.1.3.1 Chảy tràn qua đỉnh cửa
Cửa phẳng kéo đứng, viên phân quay, sập kín và rẻ quạt, khi mở cửa được hạ xuống xung quanh trục đặt trên ngưỡng cho phép nước chảy phía trên cửa
Cửa cánh trượt, của xích, trụ ngang, cung, bánh xe, cổng và Stoney, khi mở cửa di chuyển lên trên và nước chảy phía dưới cửa c Chảy cả trên và dưới
Cửa phẳng hỗn hợp và phẳng kép, cho phép dòng chảy lần lượt chảy ở phía trên và phía dưới cửa tùy theo yêu cầu vận hành
1.1.4 Theo vị trí đặt cửa
Cửa lắp trên cống lộ thiên, mực nước thượng lưu thấp hơn đỉnh cửa Cửa trên mặt không cần bịt kín cạnh trên đỉnh
Cửa van lắp trên cống ngầm, mực nước cao hơn đỉnh cửa Loại cửa van này phải bịt kín bẳng gioăng chắn toàn chu vi Tất cả các cửa có thể ứng dụng cho các công trình trên cạn, nhưng chỉ có một số ít được sử dụng để lắp đặt dưới sâu bao gồm: Cửa van bánh xe, cung, viên phân quay, cửa xích, trượt, dầm nâng, trụ đứng và Stoney
1.1.5 Theo nguyên lý hoạt động
- Tự động điện, tự động bằng thủy lực
- Có thiết bị đóng mở (bằng tay, điện, thủy lực)
1.1.6 Theo kích thước của cửa van
- Cửa van loại nhỏ: < 15 mm
- Cửa van trung bình: 15-30 mm
- Cửa van khẩu độ lớn > 30 mm
1.1.7 Theo chiều cao cột nước tĩnh từ đỉnh ngưỡng cửa
- Cửa cột áp thấp: đến 15m
- Cửa cột áp trung bình: từ 15- 30m
- Cửa cột áp cao: lớn hơn 30m
1.1.8 Theo kết cấu của cửa van
Theo mục đích sử dụng mà chúng ta có thể chế tạo những cửa van có hình dạng khác nhau và kết cấu khác nhau như : cửa van phẳng, cửa van cung, cửa sập…
Sau đây là hình dạng của một số cửa van :
Hình 1 2: Các loại cửa van theo hình dạng khác nhau
Theo kết cấu và hình dạng, chúng ta có các loại cửa van phẳng (hình 1.3 a, b, h), cửa van cung (hình 1.3 c), cửa van rẻ quạt (hình 1.3 g, n), cửa van trụ đứng (hình 1.3 d), cửa van trụ lăn (hình 1.3 e),cửa van mái nhà (hình 1.3 j, k), cửa van chữ nhân (hình 1.3 m), cửa van thủy lực kiểu mái nhà (hình 1.3 n) và có một số loại khác Ngày nay nhiều nước trên thế giới đã có những cửa van có khẩu độ đến 80- 120 m.
1.1.9 Phân loại cửa van cung
Cửa van hình cung là cửa van có mặt chịu áp lực nước dạng cung tròn và được nối với hai càng, khi đóng mở cửa van quay xung quanh một trục quay cố định nằm ngang Cửa van hình cung lớn hơn thường được dùng làm cửa xả lũ ở đập tràn Hình dạng không gian của kết cấu cửa van cung càng xiên và càng thẳng
Hình 1 3: Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng xiên
Hình 1 4: Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng thẳng
Giới thiệu tổng quan về Nhà máy thủy điện Sông Bung 4A
Dự án thủy điện Sông Bung 4 được xây dựng trên sông Bung, một nhánh của sông Vũ Gia- Thu Bồn Dự án được xây tại xã Zuôi và Tà Bhing của huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam tại miền Trung Việt Nam. Những thành phần chính của Dự án bao gồm: đập, tuyến năng lượng và nhà máy điện Đập thủy điện Sông Bung 4 được xây trên sông Bung, 3 km phía trên vị trí hợp lưu với sông A Vương Hồ thủy điện sẽ được thiết lập với mức nước dâng cao nhất là 222,5 m, mực nước chết là 195m. Nước của hồ chứa Sông Bung 4 sẽ chảy qua đường ống của tuyến năng lượng, vào nhà máy nằm cách đập 5 km về phía hạ lưu Chênh lệch mức nước của hồ chứa và nhà máy là khoảng 125 m tại mức nước dâng cao nhất Sau khi đi qua nhà máy nước lại được chảy vào sông Bung Vị trí của dự án thủy điện Sông Bung 4 được mô tả trong hình 1.3
Hình 1 9: Sơ đồ tổng thể dự án thủy điện Sông Bung 4
Hình 1 10: Nhà máy thủy điện Sông Bung 4A
Dự án thủy điện Sông Bung 4 được xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng của miền Trung Việt Nam, để hỗ trợ việc phát triển kinh tế trong khu vực Điện năng được sản xuất nhờ vào cột nước do đập tạo ra Những hạng mục công trình sẽ được xây dựng bao gồm:
• Một đập trên sông Bung để tạo ra hồ chứa;
• Tuyến năng lượng để chuyển nước từ hồ chứa qua nhà máy;
• Nhà máy với những thiết bị cần thiết để phát điện; • Đường dây truyền tải điện từ nhà máy đấu nối với lưới điện quốc gia;
• Đường xá nối khu vực dự án với các khu tái định cư và hệ thống đường giao thông quốc gia;
• Các khu vực phụ trợ cho công tác xây dựng và vận hành Dự án. Đập chính: Đập chính là đập bê tông đầm lăn RCC (Roller
Compacted Concrete) Chiều dài đập là 370 m, chiều cao là 110 m tính từ điểm thấp nhất của móng đập ở cao trình 227.5 m Kết cấu của móng đập được thiết kế để chống thấp và gắn chặt vào tầng đá nền Trong đập sẽ có những rãnh để đo đạc, kiểm soát thấm, được trang bị những thiết bị hiện đại phù hợp với những kinh nghiệm an toàn đập quốc tế Đập tràn: Đập tràn gồm 6 cửa được thiết kế là một phần của đập chính và thiết kế cho lũ cực tiểu (PMF) với lượng nước về khoảng 20,000 m3 /s Đường lan can của đập xây cao đến 229m sẽ được xây dựng trên đỉnh đập để tránh nước tràn qua đập khi có lũ PMF Hố tiêu năng được thiết kế sau đập tràn để giải phóng năng lượng của nước khi xả qua đập tràn Lũ sẽ được suy yếu đi sau khi đổ vào hồ và được xả qua đập tràn với lưu tốc 18,400 m3 /s đối với lũ PMF Đập tràn được thiết kế để làm việc rất hiệu quả với lũ nhỏ hơn lũ PMF, bằng việc đóng, mỏ các cửa xả để kiểm soát mức nước trong hồ Để bảo trì các cửa xả, người ta sẽ đóng phần cửa nhận nước lại Một hệ thống cảnh báo bằng âm thanh được khuyến nghị lắp đặt từ phía sau đập đến hợp lưu của sông Cái để cảnh báo nhân dân trong vùng về việc xả lũ qua đập tràn Đập tràn gồm
5 cửa van được đánh thứ tự từ 1- 5 theo thứ tự từ trái qua phải (theo hướng nhìn thượng lưu) Cửa số 1 được vận hành bởi một trạm bơm đơn(trạm 1 cửa), các cửa 2, 3, 4 và 5 được vận hành với 2 trạm kép (trạm 2 cửa) Mỗi trạm đều có 2 bơm thủy lực (1 bơm chính và một bơm dự phòng), cáp dầu cùng lúc cho hai xy -lanh thủy lực (trạm 2 cửa) hoặc 4 xylanh thủy lực (trạm 2 cửa).
Hình 1 11: Kết cấu cửa nhận nước
Cửa nhận nước: Cửa nhận nước cao 50 m sẽ được xây dựng tại
150 m về phía nam của đập để đưa nước vào đường hầm dẫn nước Cửa nhận nước có một cửa mở, được trang bị cửa phục vụ hạ lưu và cửa bảo vệ phía thượng lưu Phần được trang bị lưới ngăn rác Khi cần bảo hành cửa bảo vệ phía thượng lưu người ta đóng phía cửa nhận nước lại Khi cần xả nước ra khỏi đường ống dẫn nước để kiểm tra , bảo dưỡng người ta đóng cửa phục vụ hạ lưu và cửa bảo vệ thượng lưu lại Đường ống dẫn nước: Đường ống dẫn nước gần như nằm ngang, có độ dài khoảng 3 km, đường kính trong là 6,8 m Đường ống này được đào từ phần cửa nhận nước tới tháp điều áp Đường ống sẽ đường đổ bằng bê tông, phía trong lót thép hoặc được gia cố thêm ở những phần dựa vào nền đá yếu Việc xây dựng đường ống dẫn nước sẽ được xây từ hai phía thượng lưu và hạ lưu lại.
Tháp điều áp Tại điểm cuối cùng của đường ống dẫn nước là tháp điều áp Tháp điều áp cao 75 m (54 m ở dưới mặt đất và 21 m nổi lên trên mặt đất ) được xây dựng để giảm áp lực tạo ra khi tua bin khởi động và vận hành Tháp điều áp được xây bằng bê tông, phía trong đường kính 24 m ở phần nổi trên mặt đất, phần chìm dưới mặt đất có đường kính 15 m Tháp điều áp sẽ được xây từ phần cuối phía hạ lưu của đường ống dẫn nước . Đường ống áp lực Phía dưới tháp điều áp là đường ống áp lực, có chiều dài khoảng 245 m, đường kính 5,2 m Phần đầu đường ống này nằm ngang, sau đó bố trí theo phương thẳng đứng, phần cuối lại nằm ngang và dẫ nước vào khu vực nhà máy Việc xây dựng đường ống áp lực được thực hiện từ hai phía lại, phía thứ nhất từ phía đầu cuối của đường ống dẫn nước và một phía từ phía cuối của đường ống áp lực
Nhà máy Khu nhà máy được đặt gần sông Bung, khoảng 5 km về phía hạ lưu của đập Nhà máy được bố trí cao 68 m, trên một diện tích dài 58 m, rộng 24 Nhà máy bao gồm 2 tổ máy phát điện với tổng công suất phát là 156 MW, erection bay, khu phụ trợ phục vụ vận hành và bảo dưỡng Hai máy biến áp ba pha sẽ được đặt ở ngoài trời, phía sau nhà máy Nhà điều hành, phục vụ vận hành dự án đượv xây cạnh khu nhà máy Các tòa nhà này được xây dựng tại cao trình 125m, trên cốt nền 0.5 m, trên mức lũ 5,000 năm Kênh xả Kênh xả dài 20 m sẽ dẫn nước trả lại Sông Bung Sân phân phối nhà máy Các máy biến áp của nhà máy sẽ được đấu nối với đường dây truyền tải qua sân phân phối. Sân phân phối có kích thước 70 m x 143 m, được đặt ở vị trí 500 m về phía hạ lưu nhà máy.
Thông số của đập tràn
STT Thông số Giá trị Đơn vị Ghi chú
3 Lưu lượng xả lớn nhất 9446 m 3 /h
5 Mức nước dâng bình thường 97.4 m
8 Cao trình đỉnh trụ pin 101.0 m
9 Số cửa van cung 5 Cửa
1 Cửa van cung Đơn vị Trị số Dun g sai
- Bán kính cong cửa van m 17
- Cao trình đỉnh trên của khung khe dẫn hướng bên m 98.4
- Áp suất làm việc max Bar 300
- Công suất tiêu thụ năng lượng tính toán kW 38
- Lực nâng kéo max Tấn 220
- Lực giữ lớn nhất Tấn 150
- Số xylanh kéo 1 cửa Cái 2
- Số xylanh dùng cho một trạm nguồn Cái 2
- Đường kính cần xylanh Mm 220
- Áp suất thiết kế của xylanh khi nâng van Bar 182
- Áp suất cần thiết khu giữ van Bar 124
- Áp suất làm việc max Bar 250
- Áp suất kiểm tra của xylanh Bar 300
- Hành trình thiết kế của xylanh M 7.6
- Vận tốc hạ cửa nhanh nhất m/ph 1
- Vận tốc nâng cửa lớn nhất m/ph 0.45
- Thời gian hạ hết cửa Phút 7.6
- Thời gian nâng hết cửa Phút 16.7
Ưu điểm của phương pháp dẫn động cửa van cung bằng hệ thống thủy lực cùng các xy-lanh
thống thủy lực cùng các xy-lanh
Cửa van cung có mặt cắt ngang hình cung, khi đóng mở xoay quanh trục ngang cố định Đơn giản nhất là cửa bao gồm tấm bán mặt hình cung tròn được đỡ bởi càng chịu nén hướng kính để truyền lực nước từ bản mặt lên gối đỡ cố định
Cũng như cửa van phẳng, cửa van cung được sử dụng rộng rãi trong các công trình thủy lợi đặc biệt là trên đập tràn, đập dâng và vùng cống ảnh hưởng thủy triều, nhất là ở những nơi có cột nước cao thì ưu điểm càng nổi bật Ưu nhược điểm của cửa van cung:
- Kết cấu đơn giản, bền chắc, đóng mở nhẹ
- Chịu được áp lực lớn
- Trụ pin thiết kế dễ dàng
- Thích hợp với nhất đối với dòng chảy lớn, bởi vì nó dễ vận hành và bảo dưỡng (dễ tiếp cận ổ đỡ và khung bản mặt)
- Cửa thường đóng kín bằng trọng bản thân cửa van
- Có thể bịt kín khoang cống có diện tích lớn
- Độ cao của giá đỡ máy và độ dày của trụ pin cống nhỏ
-Rãnh cửa không ảnh hưởng tới trạng thái của dòng chảy
-Số lượng cấu kiện ít
- Trụ pin cống đòi hỏi dài
- Vị trí không gian cánh cống chiếm tương đối lớn
- Không thể đưa ra ngoài khoang cống để kiểm tra sửa chữa
Một số hình ảnh về cửa van cung trên các công trình:
Hình 1 12: Công trình thủy điện Shuhe lớn nhất châu
Nêu ý nghĩa của việc xác định vị trí gối đỡ xy-lanh trong việc tối ưu hóa lực nâng hạ
việc tối ưu hóa lực nâng hạ
Trong quá trình làm việc thực tế, cửa van cung thường được nâng lên, hạ xuống quay trục đi qua tâm quay Một vấn đề đặt ra khi thiết kế và gia công lắp đặt cửa van là vị trí tâm quay hay vị trí tâm cốt quay ở đâu là hợp lý nhất Khi vị trí bản lề (tâm quay cửa van) trùng với trục đi qua bản mặt th tổng hợp áp lực nước vuông góc với bản mặt tác dụng lên cửa van sẽ đi qua tâm quay Khi bản lề (tâm quay) dịch chuyển lên xuống tâm bản mặt cửa van sẽ làm cho lực nâng hạ cửa van có sự thay đổi vì thế ảnh hướng trực tiếp quy mô của thiết bị nâng hạ.
Tuy nhiên, khi dịch chuyển vị trí bản lề của van cung rất có thể làm thay đổi trạng thái ứng suất và dịch chuyển các cấu kiện của kết cấu cửa van, ảnh hướng đến khả năng chịu lực và vạn hành ả cửa van.
Nêu phương án của nhóm, ưu/nhược điểm
Phương án của nhóm “Tính toán thiết kế cửa van cung đập tràn xả cho Nhà máy thủy điện Sông Bung 4A” Sử dụng – tham khảo các số liệu thực tế của van cung đập tràn xả Nhà máy thủy điện Sông Bung 4A và áp dụng các kiến thức bản thân, kềm theo sự hướng dẫn của giáo viên của hàn thành bài.
Kết cấu chính của cửa van là sử dụng thép I (Các tấm được liên kết bằng mối hàn) Có tâm quay qua tâm như đã trình bày Ưu điểm: Biết vận dụng các kiến thức đã học, kiến thức thực tế để triển khai vài tính toán
- Sử dụng được một số phần mền 3D, 2D để thiết kế
- Sử dụng tốt các phần mền office
- Kiến thước chưa bao quát được tổng thể
- Chưa ứng dụng tốt các phần mền phân tích tính toán
- Còn nhiều hạn chế khác
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chọn tiêu chuẩn thiết kế và vật lệu cửa van bằng thép
- Qúa trình thiết kế dựa trên “TCVN 8299:2009- Công trình thủy lợi- Yêu cầu kĩ thuật trong thiết kế cửa van,khe van bằng thép”,theo quy định tại khoản 1 điều 69 của Luật tiêu chuẩn và quy chuẩn kĩ thuật và điểm a,khoản 1 điều 7 của nghị định số 127/2007/NĐ-CP ngày /8/2007 của chính phủ quy định chi tiết thi hành một số điều của luật và quy chuẩn kĩ thuật
- TCVN 8299:2009 do Trung tâm Khoa học và Triển khai kĩ thuật thủy lợi thuộc trường đại học thủy lợi biên soạn,Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn đề nghị,Tổng cục Tiêu chuẩn đo lường Chất lượng thẩm định,Bộ khoa học và công nghệ công bố.
- Khi tính toán kết cấu cửa van cung phải căn cứ vào tổ hộp tải trọng bất lợi nhất và điều kiện cụ thểcông trình có thể phát sinh để tính toán,kiểm tra độ bền,độ cứng và tính ổn định của cửa van
- Khi dầm chính,dầm phụ được hàn với bản mặt thì phải xem xét bản mặt cùng tham gia chịu lực
- Tính toán thiết kế tiết kiệm kim loại,chon sơ đồ tối ưu của công trình và tiết diện của kết cấu trên cơ sở kinh tế-kĩ thuật,có biện pháp chống ăn mòn hợp lí
- Sơ đồ tính toán,những giả thiết tính toán cơ bản phải thể hiện được điều kiện làm việc thực tế của cửa van
- Trị số ứng suất lớn nhất của kết cấu khi tính toán không được vượt quá 5% ứng suất cho phép của vật liệu
- Tính toán,thiết kế các cấu kiện cửa van được thực hiện theo phương pháp ứng suất cho phép
- Sai lệch của khoảng cách đường tâm hướng ngang và hướng dọc của lỗ tai treo hình cung là − +¿ ¿ ¿ ¿ 2,0 mm Lỗ tai treo và trục kéo phải đảm bảo độ đồng tâm,độ võng cho phép không lớn hơn 1/1000.Sai lệch vị trí tại mối ghép tổ hợp không lớn hơn 2,0mm
- Áp lực nước tác dụng trực tiếp vào bản mặt cửa,từ đó truyền tới các dầm phụ(đứng,ngang)đến dầm rồi truyền đến càng van và gối quay cũng như các bộ phận khác của cửa van
2.1.2 Chọn vật liệu cho các bộ phận cửa van Đối với công trình nằm trong vùng nước ngọt thì tính oxy hóa của thép trong môi trường sẽ chậm,đồng thời kết cấu cửa van có sơn phủ kẽm và chống rỉ nên dùng thép CT35 π hoặc loại tương đương để chế tạo cửa sẽ tiết kiệm được giá thành gia công
Ta chọn vật liệu thiết kế cửa van là thép các bon chất lượng thường có mã CT35 π Để chống phá hủy do quá trình ăn mòn điện hóa gây rah an gỉ,ta sử dụng các loại sơn lót,sơn phủ được quy định kĩ thuật
Xác định ứng suất cho phép của vật liệu cửa van CT35 π Ứng suất cho phép theo trạng thái giới hạn chảy của vật liệu được xác định bởi công thức:
Trong đó:R TC −¿Cường độ tiêu chuẩn của vật liệu
R – Cường độ tính toán của vật liệu
C – Hệ số chuyển đổi từ cường độ chính sang cường độ tiêu chuẩn k- Hệ số tính đến cường độ đồng chất vật liệu m v - Hệ số tính theo cấp công trình m- Hệ số điều kiện làm việc
Theo điều kiện thực tế,tính toán cho trong bảng sau:
Trạng thái ứng suất Vật liệu CT35 π Kí hiệu
1 Ứng suất pháp khi kéo,nén dọc trục 1200(daN/cm 2 ) R k , n
2 Ứng suất pháp khi uốn 1200¿ ¿) R u
Cường độ tính toán của mối hàn(hàn thép CT35 π dùng que hàn E42)
Loại mối hàn Trạng thái ứng suất Kí hiệu Cường độ tính toán của đường hàn trong kết cấu bằng thép CT35 π (daN/cm 2 ¿
2.1.2.3 Vật liệu gioăng kín nước
Bộ phận làm kín nước có tác dụng không cho nước chảy qua cửa van và ngưỡng cũng như 2 bên cửa van,giảm được các chấn động khi đóng mở,do vậy ta chọn bộ phận làm kín nước là cao su mềm dạng tấm và dạng củ tỏi có các tính chất cơ lí như sau:
- Giới hạn ổn định khi kéo đứt không nhỏ hơn :180daN/cm 2
- Độ giãn dài tương đối không bé hơn(%) :500
- Độ giãn dài dư không lớn hơn(%) :40
- Sức kháng rạn nứt không bé hơn(daN/cm 2 ¿ :70
- Độ cứng theo Shor không bé hơn :70
- Hệ số lão hóa theo “Gh”sau 144 giờ ở 70 :0,7
2.1.2.4 Vật liệu bộ phận khác
- Bu lông dùng thép 45 hoặc thép CT51,thép không gỉ
2.1.3 Lựa chọn kết cấu cửa van
Các tấm thép bưng của cửa van cung được chế tạo từ tấm mặt cong và liên kết bằng các mối hàn.Tấm thép nên có đọc dày tối thiểu 8mm,trừ các cửa van trên mặt nhỏ,tấm có thể được sử dụng với chiều dày 6,5mm.Tấm thép bưng với độ dày khác nhau được sử dụng ở cửa van có chiều cao lớn,các tấm dày nằm ở phần thấp hơn,nơi mà áp lực nước lớn.Các tấm mỏng hơn nằm phía trên,tấm dày hơn 18mm ít khi được sử dụng trong các cửa đập tràn. Để chế tạo và vận chuyển,tấm bản mặt cửa cung thường được chia làm các phân đoạn theo chiều ngang.Chiều dài cung các phân đoạn khác nhau với kích thước lớn nhất có thể để giảm số lượng mối hàn.Hàn nối bản mặt và dầm phụ dọc các phân đoạn được thực hiện tại công trình khi lắp đặt.Nhờ có điều kiện thuận lợi dễ kiểm tra và bảo dưỡng định kì nên trong cửa đập tràn không cần phải tính them độ dày thép bưng để chống han gỉ.
2.1.3.2 Các dầm chính và dầm phụ
Cụ thể các kích thước và phương án bố trí ở đây là phải làm sao cho tất cả các dầm đều phải chịu những áp lực nước truyền vào.Cách tính và chọn hình thức tiết diện được tính toán chi tiết cụ thể trong phần tính chon tiết diện mặt cắt ngang các dầm.
Kết cấu càng van làm hai nhánh bao gồm nhánh trên và nhánh dưới mỗi nhánh được nối trực tiếp vào đàm chính để đỡ tải trọng áp lực nước truyền từ bản mặt tới dầm chính,và qua đó các nhánh càng van truyền áp lực nước tới gối quay phần đỡ toàn bộ áp lực truyền tới.
Cơ sở lý thuyết xác định áp lực nước tác động lên cửa van
Tải trọng tính toán bao gồm:
- Áp lực thủy tĩnh(lớn nhất)
- Áp lực chân không và tải trọng va đập của tàu thuyền
- Lực ma sát và lực đẩy Ác-si-met.
Hình 2 1: Áp lực lên cửa van cung
1 Cửa van cung, 2- Ổ quay, 3- Ngưỡng, 4- khe van, 5- Máy nâng thuỷ lực để quay trục lệch tâm, 6- Máy nâng cửa van, 7- Thanh kéo, 8- Cầu trục
2.2.1 Áp lực thuỷ tĩnh tổng hợp tác dụng lên cửa van cung trên mặt Áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên cửa van cung phụ thuộc vào vị trí đặt cửa van và vị trí tâm quay Tổng áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên cửa van:
Lực P có phương đi qua tâm bản mặt ( tâm quay) và hợp với đường nằm ngang một gó: d ng arctg P
Png- tổng thành phần lực ngang tác dụng lên cửa van cả thượng lưu và hạ lưu.
Pđ - tổng thành phần lực đứng tác dụng lên cửa van ở thượng lưu và hạ lưu Lực ngang và lực đứng phụ thuộc vào vị trí của tâm quay so với mực nước thượng lưu. ví dụ:
Tâm quay đặt cao hơn mặt nước thượng lưu (bảng 2.1) t
Tương tự tính cho Pđ
Tính áp lực thuỷ tĩnh lên cửa van cung trên mặt
Tâm quay cao hơn mực nước thượng lưu: t
Tâm quay ngang bằng mực nước thượng lưu:
Tâm quay thấp hơn mực nước thượng lưu:
Bảng tính áp lực thuỷ tĩnh cửa cửa van dưới sâu
Tâm quay cao hơn đỉnh cửa cống: c H T t ng
Tâm quay ngang bằng đỉnh cửa cống:
Tâm quay thấp hơn đỉnh cửa cống:
Trong đó F là diện tích lỗ cống, m 2
Cửa van hình cung ở trên mặt có thể tính:
, KN. b0- bề rộng lỗ cống, m.
Mô men do lực ma sát của vật chắn nước ở hai bên và đỉnh:
Tc là tổng lực ma sat:
Mô men của lực ma sát trong gối quay:
Tmô là lực cản của ma sát trong gối quay:
Mô men của lực hút được xác định:
Ph là lực hút tính theo công thức:
Hc - chiều cao cột áp tính đến tâm chảu vật chắn nước.
Lt - chiều dài của vật chắn nước; b-bề rộng chịu áp của vật chắn nước trên ngưỡng; f2 - hệ số ma sát trượt trong gối quay;
R2 - bán kính quay của ngỗng trục;
P - tổng áp lực thuỷ tĩnh.
Ptc= 60 KN/m 2 - cường độ áp lực tiêu chuẩn;
Cửa van có thể tự hạ xuống với điều kiện:
1,2 ( Mcn+Mmô)+ Ptlt+Pđ lđ P lP 1,1 Q lQ Điều kiện giữ được cửa van:
1,1 G lG + Ph lh+ n Vn.ln- ( Mc+Mmô) Q lQ n = 0,8 - hệ số dự trữ.
Vn- trọng lượng nước tràn qua đỉnh cửa; l n -Cánh tay đòn từ Vn đến tâm quay.
2.3 Cơ sở lý thuyết tính bền cho dầm, hệ khung và càng nâng khi chịu tải
Các càng chịu tải như nhau theo hướng tâm trục: Tình trạng này xảy ra khi hướng tác dụng của áp lực nước lớn nhất trùng với đường phân giác của góc giữa các càng van trên và dưới ở cửa van cung có hai nhánh càng Đối với cửa van trên công trình thủy điện Sông Bung 4A là cửa van cung trên mặt:
Chiều dài khai triển của tấm thép bưng.
Chiều dài L t nằm trên mặt chiếu là:
Chiều dài L d nằm trên mặt chiếu là:
Bố trí dầm ngang và dầm phụ đứng
Mô men đứng trong các dầm uốn:
Mô men uốn tựa tại điểm tựa A:
Mô men uốn tựa tại điểm tựa D:
Mô men uốn tai điểm B bất kì gối đỡ A-D:
Dựa vào điều kiện làm việc của cửa van, áp lực nước tác dụng lên cửa sẽ tăng dần từ trên xuống dưới, vì vậy cần phân bố các dầm phụ ngang một cách hợp lý theo cách xác định vị trí dầm ngang của cửa van phẳng , dựa vào đó ta xây dựng được vị trí của các dầm ngang đối với của van cung
Tính toán chọn chiều dày bản mặt
Từ sơ đồ bố trí dầm phụ dọc và ngang tiến hành tính toán chiều dày bản mặt trong từng ô dầm Ô dầm được tạo bởi dầm phụ ngang và dầm phụ đứng, bản mặt tựa trên dầm phụ ngang Do vậy tính toán bản mặt tựa trên hai cạnh của dầm phụ ngang
Tính độ dày đại diện cho ô dầm thuộc hàng 1
Mỗi hàng chịu một giá trị áp lực như nhau nên ta chỉ cần tính cho một ô dầm trong hàng là được.
Cơ sở tính toán : Đối với các ô dầm ở đỉnh cửa van trên mặt, tính toán theo điều kiện tải trọng phân bố tam giác. b a P
Chiều dày bản mặt được tính theo công thức sau:
Trong đó: δ là chiều dày bản mặt (mm) a 1 là chiều dài biên ngắn b 1 là chiều dài biên dài k y là hệ số ứng suất trung điểm biên dài của bệ đỡ tấm móng đàn hồi tính theo bảng A.5 phụ lục A – TCVN 8299:2009 p 1 là cường độ áp lực tĩnh ở trung tâm của ô dầm tính toán (N/mm 2 ¿ ¿ α là hệ số điều chỉnh đàn hồi:
R u cường độ chịu uốn cho phép của vật liệu: R u 0N/mm 2
Kích cỡ của dầm ngang chính với hai đầu công xôn thường thuộc một trong các trường hợp sau đây.
- Liên kết không ổn định: Xảy ra khi bố trí phần công xôn bằng a=0,255L Trong điều kiện này, đường tiếp tuyến đàn hội tại gối tựa sẽ bằng không, có nghĩa là không có sự lan truyền momen tại các gối tựa.
Momen uốn đạt giá trị lớn nhất tại các gối tựa và bằng hai lần momen uốn tại giữa nhịp, tính theo giá trị tuyệt đối.
- Liên kết ổn định: Xảy ra khi bố trí phần công xôn khác 0,225L Áp lực nước phân bố lên mỗi dầm chính là: q=P
Hình 2 2: Sơ đồ nhịp dầm
Dựa vào công thức tính mô men chống uốn yêu cầu theo TCVN 8299:2009, ta có:
R u 00¿ là cường độ chịu uốn cho phép của vật liệu thép CT35π.
Xác định chiều cao dầm chính: h=max (h kt ; h min )
Theo điều kiện kinh tế: h kt =√ 3 1,5 λ W yc ( λp ÷ 160)
Theo điều kiện độ cứng: h min = 5
E q tc n q q tc (n p =1,2)Trong đó: E=2,1.10 6 là mô đun đàn hồi thép.
Cơ sở lý thuyết xác định vị trí gối đỡ xy-lanh thủy lực
- Tính toán đường kính trục gối quay.
- Áp lực nước truyền vào bản mặt rồi tới dầm sau đó truyền vào càng van, càng van truyền lực trực tiếp lên cối quay thông qua bạc lót.
Tải trọng truyền tới ổ đỡ:
Do đó trục chính chịu lực phân bố: q= F
Xác định đường kính trục: d=√ 3 0,1 M [ x σ ]
Trong đó mô men lớn nhất:
Kiểm tra độ bền trục:
+ Cường độ chịu uốn: σ=M max
Với mô đun chống uốn: W x =0,1d 3 (tiết diện tròn).
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỬA VAN CUNG ĐẬP TRÀN VAN XẢ
Nêu các yêu cầu và thông số đầu bài
Yêu cầu của đề tài “Tính toán, thiết kế cửa van cung đập tràn xả mặt cho Nhà máy thủy điện Sông Bung 4A Tính toán vị trí đặt gối đỡ xy – lanh thủy lực nhằm tối ưu cho việc đóng mở cửa van” Từ yêu cầu trên, em lựa chọn và tham khảo đề tài với các thông số trên.
Thông số của đập tràn
STT Thông số Giá trị Đơn vị Ghi chú
3 Lưu lượng xả lớn nhất 9446 m 3 /h
5 Mức nước dâng bình thường 97.4 m
8 Cao trình đỉnh trụ pin 101.0 m
9 Số cửa van cung 5 Cửa
1 Cửa van cung Đơn vị Trị số Dun g sai
- Bán kính cong cửa van m 17
- Cao trình đỉnh trên của khung khe dẫn hướng bên m 98.4
- Áp suất làm việc max Bar 300
- Công suất tiêu thụ năng lượng tính toán kW 38
- Lực nâng kéo max Tấn 220
- Lực giữ lớn nhất Tấn 150
- Số xylanh kéo 1 cửa Cái 2
- Số xylanh dùng cho một trạm nguồn Cái 2
- Đường kính cần xylanh Mm 220
- Áp suất thiết kế của xylanh khi nâng van Bar 182
- Áp suất cần thiết khu giữ van Bar 124
- Áp suất làm việc max Bar 250
- Áp suất kiểm tra của xylanh Bar 300
- Hành trình thiết kế của xylanh M 7.6
- Vận tốc hạ cửa nhanh nhất m/ph 1
- Vận tốc nâng cửa lớn nhất m/ph 0.45
- Thời gian hạ hết cửa Phút 7.6
- Thời gian nâng hết cửa Phút 16.7
Tính toán áp lực nước tác động lên cửa van
Trường hợp tính toán ở tổ hợp tải trọng cơ bản
Hình 3 1: Sơ đồ bố trí cửa van Áp lực thủy tĩnh:
Khoảng cách giữa tâm cong và gioăng chắn nước đỉnh: h ' c
Khoảng cách giữa tâm quay và ngưỡng cửa: h t =H−h ' c−8.5=7.5
Khoảng cách từ mực nước đến tâm quay: h đ =7.5
Khoảng cách từ ngưỡng tới gioăng chắn nước đỉnh: h c =7.5
−¿Do vậy ta có: α c =arcsin( h R c ' ) =arcsin ( −27 ) =−16,6 °=− 0,29rad α t =arcsin( h R t ) =arcsin ( 3,57 ) 0 °=0,523 rad
Thành phần áp lực nước lên cửa theo phương ngang:
Thành phần áp lực theo phương thẳng đứng:
P đ =γ B R [ h đ ( cos α c −cos α t ) + R ( α t 2 −α c ) + R 2 (sin α c cos α c −sin α t cosα t ) ]
Thay các thông số, ta được:
2 (−0,286.0,958−0,5.0,866)] '14,4kN Áp lực tổng cộng:
Phương áp lực so với phương ngang: β=arctan( P P đ n ) =arctan ( 2714.4 21263 ) ,51°
Tính toán lựa chọn hình dạng và kích thước của dầm chính
3.3.1 Tính toán xác định nội lực
Kích cỡ của dầm ngang chính với hai đầu công xôn thường thuộc một trong các trường hợp sau đây.
- Liên kết không ổn định: Xảy ra khi bố trí phần công xôn bằng a = 0,255L Trong điều kiện này, đường tiếp tuyến đàn hội tại gối tựa sẽ bằng không, có nghĩa là không có sự lan truyền momen tại các gối tựa Momen uốn đạt giá trị lớn nhất tại các gối tựa và bằng hai lần momen uốn tại giữa nhịp, tính theo giá trị tuyệt đối.
- Liên kết ổn định: Xảy ra khi bố trí phần công xôn khác 0,225L Trong trường hợp cụ thể em cho a=1.5m
Ta có cửa van sử dụng hai dầm chính và có gối tựa là hai nhánh càng van 3 Áp lực nước phân bố lên mỗi dầm chính là: q=P
Hình 2 3|: Sơ đồ nhịp dầm
Bố trí khoảng cách giữa các gối tựa như trong sơ đồ
Xác định mô men tại gối tựa A và B:
2 574,5(kN m) Xét đoạn AB tại điểm B có: Q y =−3574,5.1,5=−8061,6kN
Xét đoạn BD tại điểm C giữa dầm có
Xét đoạn DE tại điểm D có: Q y 570.1,561.6kN
3.3.2 Xác định tiết diện dầm
Theo biểu đồ mô men ta có | M max | `46,2( kN m )
Dựa vào công thức tính mô men chống uốn yêu cầu theo TCVN 8299:2009, ta có:
R u 00¿ là cường độ chịu uốn cho phép của vật liệu thép CT35π.
Ta chọn tiết diện có W ≥ W yc P385(cm 3 ) để đảm bảo độ bền cũng như độ ổn định khi dầm tham gia chịu lực.
Xác định chiều cao dầm chính: h =max (h kt ; h min )
Theo điều kiện kinh tế: h kt =√ 3 1,5 λ W yc ( λp ÷ 160 )
Theo điều kiện độ cứng: h min = 5
E q tc n q q tc (n p =1,2) Trong đó: E=2,1.10 6 là mô đun đàn hồi thép.
Thay số ta được: h min = 5
1,21.54(cm) Chiều cao lựa chọn h=max ( h kt ;h min )1.54 (cm) vì theo quy cách chọn thép bản ta sẽ chọn h 00 (cm )
Xác định kích thước dầm ghép:h
Chiều cao bản bụng: h b 00(mm)
Chiều dày bản bụng: δ b (mm)
Chiều rộng bản cánh: b c P0(mm)
Chiều dày bản cánh: δ c (mm)
Hình 2 4; Mặt cắt ngang dầm
Tính toán đặc trưng hình học của mặt cắt ngang:
Kiểm tra độ bền và độ võng tiết diện đã chọn
Do đó: σ max =| M max tt
745 a0,7