Nối tiếp phần 1, phần 2 giáo trình gồm các chương: Chương 5 Công trình tháo lũ Cửa van. Chương 6 Công trình lấy nước. Chương 7 Công trình dẫn nước. Chương 8 Tính toán ổn định và cường độ một số bộ phận công trình. Chương 9 Công trình thủy điện. Giáo trình được viết nhằm cung cấp cho người học các kiến thức cơ bản về tài nguyên nước, các biện pháp khai thác và sử dụng tài nguyên nước, các loại công trình thuỷ; hình thức bố trí, cấu tạo và một số nội dung tính toán chính của đập đất, đập bê tông trọng lực, công trình tháo và dẫn nước, công trình thủy điện.
Chƣơng CƠNG TRÌNH THÁO LŨ - CỬA VAN 5.1 KHÁI NIỆM 5.1.1 Khái niệm cơng trình tháo lũ Cơng trình tháo lũ hay cơng trình tháo nước cơng trình dùng để tháo nước lũ thừa, nhằm bảo vệ cho cơng trình khác đập đất, kênh khỏi bị phá hoại dòng lũ Chương giới thiệu cơng trình tháo lũ hồ chứa nước Cơng trình tháo lũ hồ chứa gồm loại sau: - Cơng trình tháo lũ mặt: Dòng chảy chảy mặt, ta quan sát mắt, ví dụ: Đập tràn, đường tràn dọc, đường tràn ngang, giếng đứng tháo lũ - Cơng trình tháo lũ sâu: Dòng chảy chảy ngầm bên dưới, ta khơng quan sát mắt, ví dụ: Cống ngầm tháo lũ, đường hầm tháo lũ, xi phông tháo lũ 5.1.2 Tần suất tính tốn kiểm tra Khi thiết kế cơng trình tháo lũ, trước hết ta phải tính tốn, xác định lưu lượng trận lũ thiết kế trận lũ kiểm tra Trận lũ thiết kế tính tốn theo tần suất lũ thiết kế, trận lũ kiểm tra tính tốn theo tần suất lũ kiểm tra Lũ thiết kế dùng để tính tốn xác định thơng số kỹ thuật cơng trình cụm đầu mối Lũ kiểm tra dùng để tính tốn kiểm tra ổn định, kết cấu, móng, lực xả nước cơng trình cụm đầu mối Tần suất lưu lượng, mực nước lớn thiết kế kiểm tra cơng trình thuỷ (Cơng trình chủ yếu) xác định theo Bảng 4.2 TCXDVN 285 : 2002 Với cơng trình tháo lũ (trong hồ chứa) cấp IV, tần suất lũ thiết kế p = 1,5%, tần suất lũ kiểm tra p = 0,5% Cơng trình cấp V tần suất lũ thiết kế p = 2% khơng có lũ kiểm tra Tần suất lưu lượng, mực nước lớn thiết kế cơng trình tạm thời, phục vụ cơng tác dẫn dòng thi cơng, chặn dòng thi công xác định theo Bảng 4.6 4.7 TCXDVN 285 : 2002 5.2 CƠNG TRÌNH THÁO LŨ TRÊN MẶT 5.2.1 Đƣờng tràn dọc Khái niệm Đường tràn dọc đường tràn mà dòng chảy vào tràn chảy theo phương song song với trục đường tràn (Hình 5.1a) Đường tràn dọc thường bố trí eo núi hình n ngựa ven bờ hồ chứa, bố trí đường tràn dọc bên vai đập đất địa hình vai đập tương đối xoải địa hình khơng xoải khơng có eo núi thích hợp Đường tràn dọc dạng cơng trình tháo lũ thường gặp nhất, có ưu điểm việc thiết kế, thi cơng, quản lý đơn giản (hơn loại khác) Khi lựa chọn tuyến xây dựng đường tràn dọc nên chọn eo núi có cao độ vừa phải, độ xoải mái khơng dốc để giảm khối lượng đào đất đá Hình 5.1b, c mơ tả ảnh hưởng dạng địa hình eo núi đến khối lượng đào đất đá Khi lựa chọn tuyến xây dựng nên chọn: Tuyến thẳng để tránh sinh lực ly tâm làm phức tạp dòng chảy dốc; phía hạ lưu tràn phải có đường dẫn nước lòng sơng cũ nơi nhận nước khác thuận lợi, không làm ảnh hưởng nhiều gây nguy hiểm cho vùng hạ lưu; đồng thời nên chọn vị trí thích hợp để thuận tiện cho cơng tác quản lý Ngồi tình hình địa chất yếu tố quan trọng để nh vic chn tuyn trn 121 Hồ chứa Mái đất đào b) a) Dòng chảy vào tràn Đập đất BT Bđào Sông Mái đất đào Đập tràn Trục đừơng tràn c) Bđào Hỡnh 5.1 ng trn dc Hình 5-1 Đừơng tràn dọc 1 Eoeonỳi rng Eo núi dốc đập xoải®Ëp4 Vai đập dốc núi rộng; 2.eo núi hẹphp dốc; 3.vai đậpVai xo¶i; vai dèc b.Cấu tạo phận chủ yu ca ng trn dc bII Đừơng mực nứơc thấm i ik Bv Lv Cưa vµo Đập tràn Bộ phận chuyển tiếp Bộ phận tiêu Kênh dẫn nứơc Hỡnh 5.2 Cỏc trndọc dc Hình 5-2 Cácbbộphn phậnca ng đừơng tràn ng trn dc có phận cửa vào, đập tràn, phận chuyển tiếp tiêu (Hình 5.2) Sau phận tiêu kênh dẫn nước dòng sơng cũ nơi nhận nước Cửa vào có tác dụng để dẫn nước từ hồ chứa vào đập tràn thuận, đoạn kênh phi lăng trụ, có độ dốc ngược (i < 0) thu hẹp dần theo chiều dòng chảy Góc loe thường chọn = (18 25)o Chiều dài Lv thường chọn Lv = (2 2,5) Bv Bv chiều rộng trước cửa vào Đập tràn thường làm theo dạng đập tràn ngưỡng thấp có cửa van không Ngay sau ngưỡng tràn phận chuyển tiếp Bộ phận chuyển tiếp tiêu có dạng: Dốc nước, tiêu dòng chảy đáy; Dốc nước, tiêu dòng chảy rơi tự (máng phun) dạng bậc nước nhiều cấp Kênh dẫn nước dòng sơng cũ có cấu tạo kênh tiêu thơng thường 122 Các dạng cơng trình chuyển tiếp tiêu đường tràn dọc: - Dạng dốc nước, tiêu dòng chảy đáy (Hình 5.2): + Dốc nước: Thường làm bê tông, bê tông cốt thép dạng rộng thu hẹp dần (để tiết kiệm khối lượng), mặt cắt ngang chữ nhật Khi đá tốt làm dạng mặt cắt hình thang khơng cần gia cố Độ dốc dốc thường chọn i = (3 8)% nên chọn i xấp xỉ độ dốc địa hình để tiết kiệm khối lượng đào, trừ địa hình dốc xoải Cao độ tường bên dốc chọn theo chiều sâu nước dốc Nếu dốc dài có độ dốc lớn phần vật liệu đáy phía cuối dốc phải chọn tốt phần phần đầu dốc, cho vận tốc dốc khơng vượt q vận tốc xói cho phép vật liệu Khi vận tốc dòng chảy dốc lớn ta phải làm thêm mố nhám gia cường để giảm bớt lượng vận tốc dòng chảy Hình 5.3 giới thiệu số loại mố nhám gia cường (mố nhám nhân tạo) a) b) c) Hình 5.3 Các dng m nhỏm nhõn to Hình 5-3 Các dạng mố nhám nhân tạo + Thit b tiờu nng sau dc nước thường dùng dạng bể tiêu M¸ng phun dạng bể, tường kết hợp Bể tiêu thường làm dạng rộng dần hạ lưu để tăng tiết diện tháo nước, làm giảm vận tốc bể Bể tiêu nng cng cú th lm thờm Trụ đỡ máng phun mố nhám gia cường - Dạng dốc nước, tiêu dòng chảy rơi tự : Hè xãi dù kiÕn Dạng làm tương tự dạng trên, thay thiết bị tiêu máng phun (Hình 5.4) Hỡnh 5.4.Tiêu Tiờu nng Hình 5-4 bằngbng mángmỏng phun phun Máng phun có tác dụng phun dòng chảy lên cao rơi xuống khơng khí để tiêu hao lượng dòng chảy Hố xói sau máng phun thường để dạng tự nhiên mà không xây lát nên giảm kinh phí xây dựng Tuy nhiên trụ đỡ cuối máng phun thường phải chôn sâu (dù đá) nên việc thi cơng khó Dạng dốc nước, tiêu dòng chảy rơi tự thường sử dụng đường tràn đá - Dạng bậc nước nhiều cấp Sau ngưỡng tràn người ta làm nhiều bậc nước nối tiếp nhau, bậc nước bể tiêu để tiêu hao dần lượng dòng chảy từ cao xuống thấp; cui cựng l b tiờu Hình 5-5 BậcBc nứơcnc nhiềunhiu cÊp cấp Hình 5.5 (Hình 5.5) 123 Dạng việc tính tốn thiết kế thi cơng phức tạp nên sử dụng c Các nội dung cần tính tốn thiết kế đường tràn dọc - Tính tốn thuỷ văn xác định đường q trình lũ thiết kế, kiểm tra - Tính tốn thuỷ lực + Tính tốn thuỷ lực đoạn cửa vào (nếu cửa vào dài) + Tính tốn chọn diện (B, H) đập tràn: Tính theo tốn điều tiết lũ hồ chứa + Tính tốn độ sâu, vận tốc dòng chảy dốc nước phương pháp vẽ đường mực nước kênh phi lăng trụ kiểm tra khả chống xói cho đáy dốc nước Do thường i > i k % (ik độ dốc phân giới) nên đường mực nước dốc đường nước đổ bII + Tính tốn chọn chiều sâu, chiều dài bể tường tiêu cho bể tiêu bậc nước nhiều cấp cho bể cuối dốc nước + Tính tốn chiều sâu hố xói sau máng phun + Tính tốn thấm, ổn định, cường độ cho đường tràn phận : tường bên đập tràn, dốc nước, bể tiêu 5.2.2 Đƣờng tràn ngang Đường tràn ngang đường tràn mà dòng chảy Hå chøa vào tràn vng góc gần vng góc vi trc B Dòng chảy vào tràn ng trn (Hỡnh 5.6) Ngữơng tràn ng trn ngang thng c b trớ bên vai đập Đặc điểm đường tràn ngang chiu rng Máng tràn Đập đất thu nc ca trn (chiu rng trn - BT) b trớ theo Trục đừơng trµn phương song song với đường đồng mức địa hình, S«ng nên việc mở rộng chiều rộng tràn để đủ khả tháo nước cho tràn mà khối lượng đào đất đá tăng lên khơng nhiều; ta có th tng chiu rng Hình tràntrn ngang Hỡnh5-6 5.6.Đừơng ng ngang tràn để giảm mực nước dâng gia cường nhằm giảm chiều cao đập chính, giảm mức độ ngập lụt thượng lưu Dốc nước sau máng thu nước có độ dốc lớn, lại nối tiếp với máng thu nước có chiều rộng khơng lớn nên chọn chiều rộng nhỏ, chiều sâu lớn giảm khối lượng đào đất đá Tuy nhiên dòng chảy máng thu nước sau ngưỡng tràn dạng dòng chảy xoắn, phức tạp nên việc tính tốn thiết kế máng phức tạp Đường tràn ngang thường sử dụng khơng có vị trí thích hợp để bố trí đường tràn dọc Việc tính tốn thuỷ lực chọn chiều rộng ngưỡng tràn phần sau máng thu nước đường tràn ngang tương tự đường tràn dọc 5.2.3 Xi phông tháo lũ Xi phông tháo lũ có dạng ống cong MNDGC Hình 5.7 thng c xõy dng Lỗ thông khí p bờ tụng MNDBT Lữơi gà Cu to: Ca vo xi phụng có dạng 0,7 - 1m loe dần phía thượng lưu Mép vào phía miệng xi phơng bố trí thấp mực nước dâng bình thường (MNDBT) khoảng (0,7 1)m, phía bố trí lỗ thơng khí có cao độ ngang với mực nước dâng bình thường (MNDBT), cao trình ngưỡng tràn xi phơng Hình 5.7 Xi phơng tháo lũ ngang MNDBT Ngồi xi phụng Hình 5-7 Xi phông tháo lũ thng bố trí thêm lưỡi gà để hắt dòng T 124 chảy xa nhằm đẩy hết khơng khí xi phông hạ lưu làm việc Sự làm việc xi phông: Khi lũ về, mực nước hồ dâng lên, ban đầu cao MNDBT chưa kín lỗ thơng khí, lúc nước bắt đầu chảy qua ngưỡng tràn, xi phơng chưa thức làm việc Khi mực nước hồ cao lên bịt kín lỗ thơng khí, tác dụng dòng chảy hỗ trợ lưỡi gà, khơng khí xi phông bị hết hạ lưu tạo chân không xi phông để hút dòng chảy từ hồ tháo hạ lưu Lúc xi phơng thức làm việc Khi hết lũ, mực nước thấp dần xuống, đến mực nước khơng bịt kín lỗ thơng khí nữa, khơng khí tràn vào cắt chân không xi phông Sự làm việc (chính thức) xi phơng ngừng lại Xi phơng tháo lũ cơng trình thiết kế, thi cơng phức tạp, nên sử dụng 5.2.4 Giếng đứng tháo lũ MNDGC Giếng đứng thường xây dựng cách đào xuyên qua núi, theo MNDBT PhÔu thu dạng Hình 5.8 Khi mực nước hồ cao hn ngng trn ca Giếng Đứng Đừơng hầm vào (phễu thu) giếng, nước chảy thi c«ng qua phu thu vo ging ng v ng Đừơng hầm hầm để chảy hạ lưu Giếng đứng thường dùng với núi đá có đường hầm dẫn nước thi cơng Hình 5.8 Giếng đứng tháo lũ H×nh 5-8 GiÕng ®øng th¸o lò 5.3 CƠNG TRÌNH THÁO LŨ DƢỚI SÂU Cơng trình tháo nước sâu gồm loại: Cống ngầm đường hầm Cống ngầm thường xây dựng qua đập đất Nói chung cống ngầm thường có tiết diện lũ nhỏ nên thường dùng để tháo lũ hỗ trợ để tháo cạn hồ cần thiết Đường hầm tháo lũ xây dựng cách đào xuyên qua núi Đường hầm tháo lũ có khả tháo lũ lớn, có khả tháo cạn hồ cần thiết; nhiên việc xây dựng phức tạp, nên sử dụng 5.4 CỬA VAN 5.4.1 Khái niệm Cửa van phận dùng để điều tiết lưu lượng, mực nước cơng trình thuỷ: Cống chia nước (cống đầu kênh), cống điều tiết kênh tưới; cống tiêu kết hợp ngăn mặn, ngăn lũ; cơng trình xả lũ hồ chứa Cửa van gồm nhiều loại: - Cửa van cung (Hình 5.9a): Cửa van cung làm thép Loại khả chịu lực cao nên thiết kế với độ lớn, lực đóng mở nhỏ nhiên chế tạo phức tạp, đắt tiền nên chúng thường sử dụng cho cơng trình cần tháo lưu lượng lớn: Tràn xả lũ hồ chứa, cống tiêu kết hợp ngăn mặn lớn - Cửa van phẳng (Hình 5.9b): Cửa van phẳng làm thép, gỗ, bê tơng bê tông cốt thép Cửa van gỗ, bê tông, bê tông cốt thép khả chịu lực không cao, lực đóng mở lớn nhiên chế tạo đơn giản, rẻ tiền nên chúng sử dụng nhiều cho cơng trình cần tháo lưu lượng nhỏ: Cống đầu kênh, cống điều tiết kênh tưới; cống tiêu kết hợp ngăn mặn, ngăn lũ vừa nhỏ Riêng loại bê tông, bê tông cốt thép trọng lượng nặng nên thường sử dụng cho cửa rộng từ (20 40)cm Riêng cửa thép (dạng có phận chịu lực dạng dàn (Hình 5.9c), khả chịu lực cao chế tạo phức tạp nên sử dụng cho cửa van tương đối rộng v cao 125 Bộ phận đóng mở Tấm chắn nứơc Ty van Trơc quay Ty van Cưa van TÊm ch¾n nứơc Dàn van Cửa van Dàn van a) Cửa cung b»ng thÐp a Cửa vanvan cung thép b Cửa van van phẳng bêbªtơng c Cửa thép b) Cưa phẳng tông c) Cửavan vanphng phẳng bng thép Hình 5.9 Một số loại cửa van H×nh 5-9 Mét sè lo¹i cưa van - Cửa phai: Cửa phai loại cửa van, dầm van không ghép cố định với Cửa phai gồm loại: phai dựng đứng phai nằm ngang, cần đóng cửa phai ta đem dầm phai xếp ngang chồng lên xếp đứng sát vào để chắn nước; cần mở cửa phai ta đem dỡ cất dầm phai vào kho Cửa phai để giữ nước vào mùa hạn thường làm lớp, chèn đất để chống thất thoát nước 5.4.2 Thiết kế cửa van phẳng gỗ Lựa chọn kích thước, cấu tạo Cửa van phẳng gỗ ghép từ dầm van gỗ nẹp thép thép hình (thường thép chữ L); phần nối với ty van; đáy bên bố trí thiết bị chắn nước (nếu cần) (Hình 5.10a, b, c) Ty van c) a) d) DÇm van MNmax NÑp thÐp Hc Z MNmax t n.a H q a ( H + Z ) Bc e) q b) l = (1,05-1,1)B ao B ao Hình 5.10 ggỗvvàs tớnhtoán toỏndầm dm HìnhCa 5-10.van Cửa phng van phẳng sơ đồ tính vanvan Chiu cao ca van chọn cao mực nước lớn thượng lưu khoảng = (0,3 0,5)m, chiều rộng van chọn rộng chiều rộng khoang khoảng 2a o ao độ ăn sâu cửa vào khe phai Có thể chọn ao = (5 15)cm, tuỳ vào chiều rộng khoang, chiều cao cửa Dầm van thường có chiều cao a = (20 30)cm, chiều dày t = (5 10)cm phụ thuộc vào loại gỗ, áp lực nước, sóng tác dụng vào dầm Nên chọn tất dầm van kích cỡ Gỗ thường chọn gỗ từ nhóm đến nhóm Thiết bị chắn nước dùng loại cao su hình củ Hình 5.11 Các dạng thiết bị chắn nước H×nh 5-11 Các dạng thiết bị chắn nứơc ti hoc cao su (Hình 5.11) Dạng cao su hình củ 126 tỏi chắn nước tốt dạng cao su nhiều, khó chế tạo Tính tốn kiểm tra chiều dày dầm van Trường hợp bất lợi trường hợp mực nước thượng lưu lớn nhất, có sóng gió thiết kế gây Khi tính cần tính cho dầm đáy cửa van Sơ đồ tính cho dầm dầm đơn, áp lực tác dụng lên dầm lực phân bố áp lực thuỷ tĩnh nước, áp lực sóng gây Sơ đồ áp lực nước sóng dùng sơ đồ gần (Hình 5.10d) Trong (Hình 5.10d) Z khoảng cách từ mực nước tĩnh (MNmax) đến đỉnh biểu đồ áp lực sóng, cách tính Z xem Chƣơng Sơ đồ tính tốn dầm (Hình 5.10e) Câu hỏi ôn tập: 5.1 Nêu tác dụng vị trí thường gặp cơng trình tháo lũ Cơng trình tháo lũ hồ chứa nước có ý nghĩa nào? Nêu cách chọn tần suất lũ ý nghĩa lũ thiết kế, lũ kiểm tra cho cơng trình tháo lũ hồ chứa 5.2 Nêu đặc điểm cấu tạo điều kiện sử dụng đường tràn dọc, đường tràn ngang 5.3 Nêu đặc điểm cấu tạo điều kiện sử dụng xi phông tháo lũ, giếng đứng, đường hầm cống ngầm tháo lũ hồ chứa 5.4 Nêu khái quát cấu tạo điều kiện sử dụng loại cửa van cơng trình thuỷ 5.5 Mô tả cấu tạo phận chủ yếu cửa van phẳng gỗ cách tính tốn thiết kế dầm phai 127 Chƣơng CƠNG TRÌNH LẤY NƢỚC 6.1 KHÁI NIỆM 6.1.1 Mục đích xây dựng cơng trình lấy nƣớc Cơng trình lấy nước xây dựng để lấy nước từ sông, kênh, hồ chứa phục vụ yêu cầu dùng nước khác nhau: tưới, phát điện; cung cấp nước cho sinh hoạt, cho cơng nghiệp, du lịch Cơng trình lấy nước thường xây dựng với cơng trình khác đập, bể lắng cát, cống xả cát, công trình điều chỉnh dòng sơng vị trí đặt cửa lấy nước gọi đầu mối cơng trình 6.1.2 u cầu cơng trình lấy nƣớc Các cơng trình lấy nước từ sơng, suối phải đạt yêu cầu sau: Thường xuyên lấy đủ nước theo yêu cầu ngành dùng nước Ngành dùng nước trạm thuỷ điện, nhà máy, xí nghiệp, cụm dân cư, khu tưới, trại chăn nuôi gia súc, khu du lịch, dịch vụ Yêu cầu dùng nước ngành dùng nước bao gồm số lượng chất lượng Ngay ngành dùng nước, yêu cầu thay đổi theo thời gian Hơn yêu cầu dùng nước ln phát triển theo đòi hỏi phát triển kinh tế, xã hội, đời sống người Mặt khác đáp ứng u cầu phải tính đến nguồn nước bảo vệ chống ô nhiễm, khai thác bền vững mối liên quan hài hoà với nguồn tài nguyên khác Bảo đảm ổn định cho cơng trình lấy nước, chống bùn cát lắng đọng Cơng trình lấy nước bảo đảm u cầu lấy đủ nước hạng mục cơng trình tồn cơng trình khơng bị dịch chuyển, không bị nghiêng hay lún vượt giới hạn cho phép, không bị nứt hay biến dạng giới hạn cho phép Đặc biệt cửa lấy nước không bị bùn cát lấp đầy, dẫn đến chất lượng lấy nước không bảo đảm Ngăn chặn vật vào kênh Thuận lợi cho thi công, quản lý, áp dụng tiến kỹ thuật điện khí hố, tự động hố Tạo cảnh quan điều hồ, giữ gìn bảo vệ mơi trường, phát triển du lịch, sử dụng tổng hợp nguồn nước Kết cấu đơn giản kinh tế 6.2 CƠNG TRÌNH LẤY NƢỚC KIỂU HỞ 6.2.1 Điều kiện xây dựng Cơng trình lấy nước khơng đập cơng trình lấy nước đặt trực tiếp bờ sông mà không cần đắp đập ngăn sơng Cơng trình lấy nước khơng đập thường dùng rộng rãi hệ thống thuỷ lợi phục vụ nhu cầu dùng nước khác Cơng trình lấy nước không đập dùng trường hợp lưu lượng mực nước sông đảm bảo lấy đủ lượng nước yêu cầu vào kênh Hình 6.1 Sơ đồ mặt cống lấy nước Liên Mạc Cơng trình lấy nước khơng đập (có thể có khơng có cống) có kết cấu 1.Sông Hồng Sông Nhuệ Đê sông Hồng đơn giản, giá thấp, song chịu ảnh hưởng Bãi sông Hồng Cống Liên Mạc 128 trực tiếp dòng chảy tự nhiên, chất lượng nước lấy tương đối thấp, quản lý khai thác khó khăn, tốn (Hình 6.1) Cơng trình lấy nước có đập hình thức lấy nước đặt bờ sơng phía thượng lưu đập chắn ngang lòng sơng Cơng trình lấy nước có đập xây dựng mực nước thường ngày sông không đủ để lấy nước tự chảy vào kênh Cũng có trường hợp mực nước sơng đủ bảo đảm lấy nước kiểu không đập ta dùng cơng trình lấy nước có đập khi: - Lấy nước theo hình thức có đập kinh tế - Cần lấy nước hai bờ, đặc biệt lưu lượng lấy vào kênh lớn - Cần bảo đảm giao thông thuỷ hay lưu lượng lấy vào hệ thống lớn làm ảnh hưởng đến điều kiện giao thông thủy sẵn có - Khi phía thượng gần nơi lấy nước, sơng có thác ghềnh đổ xuống làm cho hàm lượng bùn cát tăng lên - Cần nâng cao chất lượng lấy nước vào kênh (Hình 6.2) Hình 6.2 Sơ đồ mặt tổng thể đầu mối cơng trình lấy nước Thạch Nham Sông Trà Khúc Đập dâng tràn bê tông trọng lực Cống lấy nước bờ Nam Cống xả cát bờ Nam Cống lấy nước bờ Bắc Cống xả cát bờ Bắc Khe lún đập 6.2.2 Phân loại Trong thực tế có nhiều cách phân loại khác nhau: Theo phương tách dòng chảy khỏi dòng vào cơng trình lấy nước - Cơng trình lấy nước bên cạnh: Phương dòng chảy vào cơng trình lấy nước hợp với phương dòng chảy sơng góc xấp xỉ 900 - Cơng trình lấy nước diện: Phương dòng chảy vào cơng trình lấy nước gần song song với phương dòng chảy sơng Theo hình thức có đập hay khơng có đập - Cơng trình lấy nước có đập 129 - Cơng trình lấy nước khơng đập Theo khả điều tiết lưu lượng: - Cơng trình lấy nước khơng cống - Cơng trình lấy nước có cống 6.2.3 Các hình thức bố trí Cơng trình lấy nước khơng đập a Lấy nước bên cạnh Lấy nước bên cạnh (Hình 6.3) sử dụng mực nước sông đủ đảm bảo yêu cầu dẫn nước vào kênh lưu lượng lấy vào kênh không vượt 20% lưu lượng nước sơng Có hai loại hình thức lấy nước bên cạnh khơng có cống có cống * Hình thức lấy nước bên cạnh khơng có cống (Hình 6.3a, b): Đây hình thức đơn giản nhất, có kênh dẫn nước từ sơng đến khu dùng nước Nhược điểm loại không khống chế lưu lượng lấy, đầu kênh bị bùn cát bồi lắng nhanh Để khắc phục phần nhược điểm người ta làm nhiều cửa kênh lấy nước Loại khống chế phần lưu lượng lấy cách có lũ cho cửa làm việc, cửa khác đắp lại, lũ xuống tùy yêu cầu lấy nước ta khơi thêm tất cửa bị đắp có lũ, ngồi luân phiên nạo vét bùn cát sửa chữa cửa lấy nước * Hình thức lấy nước bên cạnh có cống: Lấy nước có cống hình thức tương đối hoàn thiện khống chế lưu lượng vào kênh theo yêu cầu (Hình 6.3c) biểu thị cống đặt bờ sơng (Hình 6.3d) biểu thị cống cách bờ sơng đoạn Để hạn chế bùn cát vào kênh, thường đặt cống xa bờ sông (1 2)km Đoạn kênh dẫn vào kết hợp làm bể lắng cát, thường làm từ đến bể (Hình 6.3e) Trong thời gian lũ cho bể làm việc, mực nước sông thấp bể lại làm việc, bể nghỉ để nạo vét b/ a/ c/ d/ e/ g/ h/ Hình 6.3 Sơ đồ hình thức lấy nước bên cạnh không đập Kênh lấy nước Kênh xả Cống Bể lắng cát kết hợp kênh dẫn Cống luồn Cầu máng ống dẫn nước Ưu điểm sơ đồ phần lớn bùn cát xói xuống sơng phương pháp thuỷ lực, hạn chế nhiều bùn cát có hại vào kênh lấy nước, nhiên nước sơng lên cao việc tháo xả bùn cát gặp khó khăn 130 v - Hiệu suất thể tí ch - tổn thất rò rỉ ; ck - Hiệu suất khí - tổn thất khí ; Hiệu suất tuabin phụ thuộc chủ yếu vào cấu tạo, kích thước chế độ làm việc - Hiệu suất tổ máy: Nếu nối trực tiếp thì hiệu suất tổ máy là tí ch của hiệu suất tua bin và hiệu suất máy phát : (9.22) tm T mf Nếu nối gián tiếp qua cấu truyền động thì cần tí nh thêm hiệu suất truyền động : (9.23) tm T mf td Như vậy công suất tổ máy sẽ là : (9.24) Ntm 9,81.QHtm * Đƣờng kính bánh cơng tác số vòng quay tuabin - Kích thước hình học bánh cơng tác đặc trưng bởi đường kí nh D được quy ước đối với những loại tua bin chí nh (Hình 9.22) Sớ vòng quay của tuabin thơng thường số vòng quay máy phát (nếu nới trực tiếp ), chọn số vòng quay tuabin cần chú ý đến số vòng quay đồng bộ máy phát: 6000 (9.25) n 2p Trong đó : 2p – số đôi cực của máy phát ứng với tần số f = 50 Hz Hình 9.22 Quy ước đường kí nh bánh công tác D1 đối với các loại tua bin a: Hướng trục; b,c: Tâm trục; d: Gáo Có thể chọn số vòng quay đồng theo bảng sau: Bảng 9.1 Số vòng quay đồng Số đôi 10 11 12 cực 2p n 3000 1500 1000 750 600 500 428,6 375 333 300 273 250 vòng/ph Hai đại lượng này đặc trưng cho kí ch thước và cỡ tuabin Chúng có quan hệ mật thiết với và được xác đị nh bởi cột áp và lưu lượng của tuabin Thường tuabin có công suất lớn thì đường kí nh lớn Nhưng tuabin có cột áp càng lớn thì số vòng quay càng lớn và kí ch thước càng nhỏ * Số vòng quay đặc trƣng của tuabin Thông thườn g các thông số bản cho trước thiết kế tuabin là cột áp H , lưu lượng Q (hoặc công suất N ) số vòng quay n Trong ngành máy thuỷ lực nói chung và chế tạo tuabin nói riêng để biểu thị tổng hợp cho thơng số nói , người ta dùng một hệ số gọi là số vòng quay đặc trưng ký hiệu là n s Số vòng quay đặc trưng là số vòng quay của một tuabin làm việc với cột áp H = 1m, phát công suất N = 1KW Số vòng quay đặc trưng của một tuabin đượ c xác đị nh theo công thức: n N ns (9.26) H H 183 Cần chú ý rằng số vòng quay đặc trưng là hệ số tổng hợp có tí nh chất đặc trưng chứ khơng phải số vòng quay thực tế tua bin Mỗi kiểu tuabin phạm vi sử dụng về công suất và cột áp khác nên số vòng quay đặc trưng khác Các phận tuabin nước Trong tua bin nước, bộ phận ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tuabin đó là phần dẫn dòng Phần dẫn dòng gồm ba bộ phận chí nh: Buồng dẫn tuabin, Bánh công tác, Buồng hút tuabin Trong đó bánh công tác là bộ phận chí nh làm nhiệm vụ biến đổi lượng Hai bộ phận buồng dẫn và buồng hút không trực tiếp biến đ ổi lượng vai trò chúng quan trọng giúp bánh cơng tác làm nhiệm vụ biến đổi lượng có hiệu tốt 9.10.2 Phân loại, phạm vi sử dụng loại tuabin nƣớc Phân loại theo dạng lượng của dòng chảy qua tua bin Để phân loại tuabin, người ta đưa nhiều chỉ tiêu khác Ở ta xét phân loại theo dạng lượng dòng chảy qua bánh cơng tác tuabin phân loại theo số vòng quay đặc trưng ns Ta khảo sát các t hành phần lượng dòng chảy Năng lượng đơn vị của dòng chảy truyền cho bánh công tác tuabin bằng độ chênh lượng riêng giữa hai tiết diện trước và sau P P V2 2 V22 đó: H (Z1 Z2 ) 1 (9.27) 2g Thế Động Vậy luợng riêng gồm hai phần: động và thế Tuỳ thuộc vào dạng lượng mà chia tuabin nước thành hai hệ khác : tuabin xung lực và tuabin phản lực Trong tuabin xung lực, có phần động dòng chảy tác dụng lên bánh cơng tác phần thế bằng không Hệ tuabin này phát công suất nhờ động của dòng chất lỏng , áp suất cửa vào cửa tuabin áp suất khí trời Tuabin phản lực là loại tuabin làm việc nhờ cả hai phần thế và động , mà chủ yếu thế của dòng chảy Trong hệ tuabin này , áp suất cửa vào luôn lớn cửa Dòng chảy qua tuabin dòn g liên tục chiếm đầy toàn bộ máng dẫn cánh Trong vùng bánh cơng tác tuabin, dòng chảy biến đổi động Trong đó vận tốc dòng chảy qua tuabin tăng dần, áp suất giảm dần Máng dẫn cánh hình nên gây độ chênh áp mặt cánh , từ đó tạo mômen quay Tuabin phản lực và xung lực có tí nh và phạm vi sử dụng khác Tuabin phản lực dùng cho trạm có cột nước thấp , lưu lượng lớn còn tua bin xung lực dùng cho trạm có cột n ước cao, lưu lượng nhỏ Phân loại tuabin theo số vòng quay đặc trưng Trong máy thuỷ lực nói chung , người ta đưa khái niệm về các máy tương tự và số vòng quay đặc trưng n s Các khái niệm áp dụng cho tuabin Như vậy các tua bin tương tự có số vòng quay đặc trưng giống , không phụ thuộc vào đường kí nh và các thông số lưu lượng Mỗi hệ tuabin phụ thuộc vào số vòng quay đặc trưng mà chia thành nhóm: sớ vòng quay đặc trưng cao, trung bì nh và thấp Trên Hình 9.23 hình dạng phần dẫn dòng loại tua bin ứng với giá trị số vòng quay đặc trưng khác n s Bảng 9-2 ns bo D1 930 96 216 650 92 230 500 84 240 310 91 260 215 66 330 93 56 675 48 45 1250 184 Hình 9.23 Phân loại tua bin theo ns Dùng cách phân loại theo n s, người ta dễ dàng lựa chọn tua bin thí ch hợp nhất cho một trạm thuỷ điện cho trước cột áp H, công suất tổ máy N và số vòng quay máy phát n Có thể chọn sơ loại tua bin dựa vào cột áp H và số vòng quay đặc trưng n s theo Bảng 9.3 Bảng 9.3 TT Loại tua bin Giới hạn theo ns 950 - 759 750 - 550 550 - 350 400 - 250 250 - 150 150 - 70 50 - 10 Giới hạn theo H,m - 12 12 - 22 33 - 40 20 - 50 50 - 120 120 - 3000 200 - 2000 Hướng trục cánh quay chong chóng có ns cao Hướng trục cánh quay và chong chóng có n s trung bì nh Hướng trục cánh quay và chong chóng có n s thấp Tâm trục ns cao Tâm trục ns trung bì nh Tâm trục ns thấp Gáo 9.10.3 Tua bin xung lực Tua bin xung lực gồm có những loại chủ yếu sau: - Tua bin gáo - Tua bin tia nghiêng - Tua bin tác dụng kép Tua bin gáo Tuabin gáo (Hình 9.20) loại tuabin xung lực đượ c sử dụng nhiều nhất Phần dẫn dòng của gồm bánh cơng tác vòi phun Bánh cơng tác gồm nhiều cánh hình gáo gắn chặt lên đĩ a bánh công tác Bánh công tác gắn liền trục tuabin , trục nối với trục máy p hát Thông thường tuabin gáo đặt ngang , có số tuabin cỡ lớn có tổ máy đặt đứng Vòi phun gồm có ống hình nối với ống dẫn , ớng hì nh côn có kim điều chỉ nh lưu lượng của vòi phun Ở dòng chảy theo ố ng dẫn vào vòi phun , từ đó dòng chảy khỏi vòi phun với vận tốc đủ lớn tác dụng vào các cánh gáo và tạo thành mô men quay Ngồi vòi phun làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng qua bánh công tác Tuabin gáo làm việc vớ i cột nước H = (40 3000)m và lớn nữa Ở nước ta trạm thuỷ điện Đa Nhim dùng tuabin gáo có công suất một tổ máy N = 40 MW 185 Tua bin tia nghiêng Trên hì nh (9.24) sơ đồ tuabin tia nghiêng Tuabin này khác với tuabin gáo dòng chảy từ vòi phun hướng vào bánh công tác dưới mợt góc nghiêng Bánh cơng tác gồm cánh cong gắn chặt lên hai đĩ a bên bánh công tác có hì nh dạng đơn giản dạng gáo nên dễ chế tạo Vòi phun của loại này tương tự vòi phun của tua bin gáo Tua bin tia nghiêng được lắp cho những trạm thuỷ điện nhỏ Hiệu suất của tua bin này thường nhỏ hiệu suất tua bin gáo Tua bin tác dụng kép Trên hì nh (9.25) sơ đồ tuabin tác dụ ng kép Ở dòng chảy từ vòi phun tác dụng lên cánh bánh công tác hai lần : dòng chảy từ ngồi vào tâm sau đó lại hướng từ tâm ngoài , nên gọi loại tuabin tác dụng kép Vòi phun tuabin này có tiết diện ch ữ nhật tiết diện tròn Ở thay đổi lưu lượng Hình 9.24 Tam giác vận tớc bánh công tác cách thay đổi thành để thay đổi tiết tua bin tia nghiêng diện vòi phun Tuabin tác dụng kép còn có tên gọi là tuabin xung kí ch hai lần , hay tuabin Banki Nó dùng cho các trạ m thuỷ điện cỡ nhỏ N = (5 100)KW H = (6 80)m 9.10.4 Tuabin phản lực Tuabin phản lực là hệ t uabin được sử dụng rộng rãi nhất, bao gồ m phạm vi cột nước từ (1,5 600)m Trên hì nh 9.26 sơ đồ phần dẫn dòng củ a loại tua bin phản lực Trong tuabin phản lực dòng chảy từ thượng lưu, qua ống dẫn vào buồng dẫn , vào bánh công tác (nơi làm nhiệm vụ biến đởi thuỷ Hình 9.25 Sơ đồ tuabin xung kích hai lần thành năng) rời theo ống hút hạ lưu Phụ thuộc vào hướng dòng chảy của dòng nước qua bánh công tác mà chia tuabin phản lực thành nhiều loại: tuabin hướng trục (Hình 9.26a, b), tuabin tâm trục (Hình 9.26d), tuabin hướng chéo (Hình 9.26c) Tua bin hướng trục Tuabin hướ ng trục là loại tuabin đó hướng chuyển động của dòng chảy phạm vi bánh cơng tác song song với trục quay tua bin (Hình 9.26 a, b) Tuabin hướng trục có thể là loại cánh cố đị nh hoặc là loại cánh điều chỉ nh bánh c ông tác gồm nhiều cánh được gắn với bầu Nếu cánh được gắn với bầu thì gọi là tuabin hướng trục cánh cố đị nh (tuabin chong chóng ) Nếu cánh có thể quay quanh trục cánh gắn thì gọi là tuabin hướng trục cánh điều chỉnh Cánh có hình cong khơng gian , sớ cánh có thể từ đến Loại tuabin làm việc với cợt nước H = (1,5 40)m Tua bin hướng trục cánh cố đị nh thường dùng cho trạm cỡ nhỏ trung bình Tuabin hướng trục cánh đ iều chỉ nh được sử dụng cho cỡ trung bình lớn Tuabin hướng trục cánh điều chỉ nh có hiệu suất cao phạm vi điều chỉ nh rộng 186 Tuy nhiên kết cấu của loại cánh điều chỉ nh phức tạp vì cấu điều chỉ nh cánh nằm b bánh cơng tác ầu Hình 9.26 Sơ đờ phần dẫn dòng của các loại tua bin phản lực Tua bin tâm trục Trong tuabin tâm trục , hướng của dòng chảy ở vùng bánh công tác ban đầu theo phương hướng tâm, sau đó chuyển sang phương song song với trục Tuabin này còn gọi l tuabin Franxic Nó s dụng rộng rãi trạm có cợt nước cao, H = (30 600)m Đối với trạm nhỏ tuabin làm việc với cột nước H > 4m Bánh công tác loại tu abin này hoàn toàn khác với loại tuabin hướng trục Bánh công tác gồm hệ thống cánh gắn chặt với hai vành đĩ a và dưới thành mợt khới cứng Cánh có dạng cong không gian và số cánh có từ 12 đến 22 Tuabin tâm trục có hiệu suất cao cánh cố định nên thích hợp với trạm có cột nước thay đởi (Hình 9.26d) Tuabin tâm trục có cợt nước cao nhất thế giới H = 620m ở Khot-xen-van (Đức) Ở nước ta nhà máy thuỷ điện : Trị An, Hồ Bình, Ya Ly, Thác Mơ dùng tua bin tâm trục cỡ lớn và trung bì nh, trạm Ta Sa, Nà Ngần, Suối Cùn… dùng tuabin tâm trục cỡ nhỏ Tua bin hướng chéo Để kết hợp ưu điểm của hai loại tuabin tâm trục và hướng trục cánh ều chỉnh , năm 1950 giáo sư Kviacopski (Liên Xơ) sau năm, kỹ sư Derat (Anh) đã sáng chế một loại tuabin mới gọi là tuabin hướng chéo (Hình 9.26d) Dòng chảy qua vùng bánh công tác loại tuabin có hướng tạo với trục quay góc Bầu cánh là hì nh nón Bầu cánh chứa toàn bộ cấu điều chỉ nh cánh bầu cánh của tuabin hướng trục cánh điều chỉ nh Loại tuabin làm việc tro ng phạm vi cột nước H = (30 150)m Nó điều chỉ nh cánh nên phạm vi điều chỉ nh công suất có hiệu suất cao tương đối rộng so với tua bin tâm trục Ở Liên Xô cũ loại tuabin chưa sử dụng rộng rãi nước khác , nhất là Nhật Bản thì loại tuabin này rất phát huy tác dụng 187 9.10.5 Hiện tƣợng xâm thực tuabin Hiện tượng xâm thực tác hại Xâm thực tượng hóa lý phức tạp xảy bề mặt phần dẫn dòng dòng chảy qua tuabin Chúng ta khơng sâu vào q trình biến đổi tính vật lý phản ứng hóa học tượng xâm thực, mà quan sát tượng, tác hại nghiên cứu phương pháp ngăn chặn tượng tuabin thủy lực Vậy tượng xâm thực gì? Xâm thực chuỗi chu trình xảy liên tiếp khoảng thời gian cực ngắn có phần tử chất lỏng dòng chảy biến đổi trạng thái từ lỏng sang vùng có áp suất nhỏ áp suất bốc Ta biết chất lỏng bốc nhiệt độ áp suất đạt giá trị áp suất bốc Ví dụ: nước hóa nhiệt độ 100oC áp suất xung quanh 10,33m cột nước Nhưng áp suất hạ xuống đến 1,26m cột nước bốc 50oC (Bảng 9.4) Bảng 9.4 o Nhiệt độ, C Áp suất bốc Pbh/ , m H2O 10 0,06 0,12 20 30 0,24 0,43 40 50 0,72 1,26 60 70 80 90 100 2,03 3,18 4,18 7,12 10,33 Dòng chảy qua phần dẫn tuabin thay đổi vận tốc áp suất Tại số vùng định áp suất hạ thấp đến giá trị áp suất bốc Dòng chảy qua tuabin, qua vùng áp suất đạt giá trị áp suất bốc dạng bọt nước khơng khí Các bọt bị vào vùng áp suất cao với thể tích bọt khí, phần tử nước xung quanh tràn vào lấp chỗ trống với vận tốc cực lớn Tại vùng trung tâm bọt khí phần tử nước gặp nhau, va đập mạnh với làm tăng áp suất trung tâm bọt khí Theo thí nghiệm áp suất phần tử chất lỏng va đập trung tâm bọt khí đạt tới vài ngàn atmotphe nhiệt độ tăng lên vào khoảng 230oC Sau đó, va chạm mạnh trung tâm bọt khí phần tử nước bị bắn trở ra, sau tiêu hao hết động bị va đập với phần tử xung quanh khác, lại quay trở lại trung tâm bọt khí lấp chỗ trống vừa tạo Một chu kỳ kết thúc, chu kỳ lại lặp lại Hình 9.27 Xâm thực cánh bánh công tác tuabin Như vậy: phần tử nước va đập di chuyển vào trung tâm bọt khí, áp suất nhiệt độ tăng… Các chu trình lặp lại với tần số lớn, gần tần số âm Dao động tượng xâm thực gây truyền quan dòng chảy trực tiếp gián tiếp đến bề mặt chi tiết kim loại phần dẫn dòng Ban đầu bề mặt chi tiết bị xói mòn va đập, dao động sóng tần số cực lớn Sau bề mặt chi tiết bị lồi lõm lại tăng tốc độ phá hoại Ngồi q trình xảy xâm thực luôn kèm theo tăng nhiệt độ tức thời kèm theo phản ứng hóa học điểm bị công phá Một sản phẩm phản ứng hóa học loại axit Các axit làm tăng khả ăn mòn kim loại Điều khẳng định thực nghiệm Nếu thay chi tiết gốm, thủy tinh đặc biệt phá hoại Hiện tượng xâm thực tuabin khơng phá hoại chi tiết mà làm giảm hiệu suất tuabin, dẫn tới giảm công suất tuabin cách đột biến Ngoài ra, tượng gây tiếng ồn lớn, gây dao động, rung máy dẫn đến cong trục, vỡ ổ bi phá hoại làm việc tổ máy 188 Trong kết cấu tuabin vùng thường xảy xâm thực vùng có áp suất thấp: xâm thực xảy mạnh cánh bánh công tác (Hình 9.27) Bằng thực nghiệm người ta đo biểu đồ phân bố áp suất bề mặt cánh tuabin (Hình 9.28) Vùng áp suất thấp vùng gần mép phía lưng cánh, nơi mà vận tốc tương đối W lớn Ngồi ra, xảy xâm thực ổ đia tuabin tâm trục, phần vào buồng hút tuabin, mép vòi phun tuabin gáo Điều kiện xảy xâm thực hệ số xâm thực tuabin Hình 9.28 Phân bố áp suất cánh Để thiết lập phương trình biểu thị điều kiện xảy bánh cơng tác xâm thực vùng bánh công tác tuabin ta giả thiết có mặt cắt x-x đó, gần mép 2-2 bánh công tác, nơi xảy áp suất thấp Xét dòng nguyên tố dòng chảy qua tuabin (Hình 9.29) Ta viết phương trình Becnuli cho dòng tương đối, qua tiết diện x-x 2-2 Px W2x Ux2 P2 W22 U22 Zx Z2 hx 2 (9.28) 2.g 2.g 2.g 2.g Viết phương trình Becnuli cho dòng tuyệt tiết diện bánh công tác 2-2 tiết diện ống hút 5-5 P C2 P C2 (9.29) Z2 Z5 h25 2.g 2.g P P Ngoài ta lưu ý: Z5 a B (B- áp suất khí trời) P Từ biểu thức rút áp suất x : Hình 9.29 Sơ đồ tính điều kiện xảy xâm thực tuabin C22 C52 Wx2 W22 U22 U2x Px B Zx hx 2 Zh25 2.g 2.g 2.g C2 C52 Wx2 W22 U22 U2x = B Zx (9.30) h x 5 2.g 2.g 2.g Trong đó: Zx- khoảng cách từ tiết diện x-x, nơi có áp suất nhỏ nhất, đến mức nước hạ lưu Zx gọi chiều cao hút lý thuyết Nhóm số hạng: C22 C52 W52 W22 U22 Ux2 hx 5 độ chân không thủy động, ký hiệu σH 2.g 2.g 2.g Độ chân không thủy động tuabin σH phụ thuộc vào chế độ làm việc tuabin Rút ra: C22 C52 Wx2 W22 U22 U2x h x 5 2.g 2.g 2.g (9.31) H Trong đó: σ - hệ số xâm thực tuabin H - cột áp tuabin 189 Ta xét trường hợp xảy xâm thực áp suất điểm x áp suất bốc Pbh / xác định chiều cao hút lý thuyết nhỏ biểu thức sau: P (9.32) Zx B bh H Như chiều cao hút phụ thuộc vào hệ số xâm thực σ, cột áp H, áp suất khí trời B nhiệt độ nước Để nghiên cứu phụ thuộc hệ số xâm thực vào chủng loại tuabin vào chế độ làm việc ta biến đổi lại lượng chân không thủy động sau: C2 - Vận tốc cửa ống hút C5 nhỏ so với vận tốc cửa tuabin C2, coi 2.g 2 - Biến đổi cụm số hạng C2 U2 W2 sau: 2 C22 U22 W22 C2m2 Cu2 U22 U22 2Cu2 U2 Cu2 Cm2 2Cu2 U2 Thay vào biểu thức (9.16) ta có: Wx2 U2x U2Cu (9.33) H h x 5 2.g g Từ biểu thức (9.33) ta thấy: thay đổi chế độ làm việc tuabin hệ số xâm thực tuabin thay đổi, phụ thuộc vào lưu lượng (đối với tuabin thực làm việc trạm) Điều thể qua số hạng Wx Khi lưu lượng tăng, hệ số xâm thực σ tăng Mặt khác muốn giảm hệ số xâm thực cần tăng tổn thất hx-5 ống hút Như lúc nâng cao chất lượng tuabin xâm thực lượng Hệ số xâm thực σ phụ thuộc vào loại tuabin, nghĩa phụ thuộc vào số vòng quay đặc trưng Đối với tuabin hướng trục σ lớn, tuabin tâm trục σ nhỏ lớn Trong trình thiết kế tuabin cần phải đánh giá khả chống xâm thực tuabin lý thuyết Nhưng việc tính tốn σ gần cho chế độ tính tốn, chế độ khác khơng thể tính tốn σ Để xác định hệ số xâm thực phải dựa vào kết thực nghiệm Ta làm quen với băng thử dùng thí nghiệm xâm thực phương pháp tính tốn σ từ thực nghiệm chương sau Chiều cao hút biện pháp chống xâm thực * Chiều cao hút Hình 9.30 Chiều cao hút quy ước Trong thực tế việc xác định vị trí tiết diện x x nơi có áp suất nhỏ khó Người ta quy ước vị trí xảy áp suất nhỏ có tính đến đại lượng dự trữ an tồn để khơng xảy xâm thực chế độ tính tốn Đối với loại tuabin chiều cao hút quy ước khác Đối với tuabin hướng trục hướng chéo trục đặt đứng cánh xoay Hs khoảng cách từ tâm xoay cánh đến mực nước hạ lưu Đối với tuabin tâm trục đặt đứng Hs khoảng cách từ mép cách hướng dòng đến mực nước hạ lưu 190 Đối với tuabin nằm ngang Hs khoảng cách từ điểm cao ống hút tới mực nước hạ lưu Nếu mực nước hạ lưu ∆ HL thấp điểm quy ước chiều cao hút dương (+Hs) Nếu mực nước hạ cao điểm quy ước chiều cao hút âm (-Hs) Chiều cao hút Hs tính tốn cho trạm sau: Trong điều kiện nhiệt độ bình thường (150300) áp suất bốc nằm khoảng 0,18 đến 0,43m H2O Ta chọn Pbh / =0,33m H2O Áp suất khí trời 10,33m H2O, phụ thuộc vào đọ cao cơng trình so với mực nước biển Từ biểu thức (9.32), thay Zx Hình 9.31.Quan hệ = f(H) Hs ta có: (9.34) Hs 10 H 900 Hay Hs 10 KH 900 Trong đó: - độ cao cơng trình so với mực nước biển K - hệ số dự trữ (hệ số an toàn) Chọn: K = ( 1.05 1.1 ) Còn chọn theo cột áp H tuabin (Hình 9.31) Khi tính toán chiều cao hút Hs cần ý đảm bảo khoảng cách quy ước hình 9.30 Trong số tài liệu cũ gặp sai lệch so với quy ước Ví dụ, lấy chiều cao hút tuabin đặt ngang khoảng cách từ hạ lưu đến trục tuabin Khi tính tốn ta phải tính thêm khoảng D1/2 khoảng sai lệch so với quy ước Vậy công thức lúc là: D Hs 10 KH 900 Hoặc, tuabin đặt đứng lấy Hs khoảng cách từ tâm cánh hướng đến hạ lưu b tính tốn phải thêm khoảng (b0: chiều cao cánh hướng) Vậy công thức Hs là: b Hs 10 KH 900 Để đảm bảo cho tuabin làm việc khơng xảy xâm thực chiều cao hút tổ mát phải nhỏ giá trị Hs xác định theo công thức (9-34), gọi chiều cao hút cho phép (9.35) HSTM 10 KH 900 Từ công thức (3.8) ta tính tốn hệ số xâm thực tổ máy: 10 HSTM 900 TM (9.36) H Hệ số xâm thực tổ máy phụ thuộc vào thơng số trạm như: Cao trình , cột áp tuabin H, chiều cao hút thực tế tổ máy HTSM Hệ số xâm thực tổ máy TM khác với hệ số xâm thực tuabin TM phụ thuộc vào chế độ kích thước, hình dáng tuabin, hệ số xâm thực tổ máy TM lớn hệ số xâm thực σ tuabin * Biện pháp chống xâm thực Hiện tượng xâm thực xuất với việc tăng vận tốc dòng chảy tuabin Đầu tiên điểm, vùng nhỏ, sau phát triển thành vùng lớn Trong lúc vận hành không cho phép 191 xuất xâm thực với cường độ lớn Bởi hiệu suất công suất tuabin giảm đột ngột, kèm theo tượng rung động mạnh, ồn, chi tiết vùng bị xâm thực bị phá hoại Tuy nhiên thực tế, yêu cầu tuabin làm việc không xảy xâm thực khơng kinh tế, phải đặt sâu tuabin, làm tăng khối luwowngk đào đắp cơng trình Do đó, cho phép tuabin làm việc số chế độ có cơng suất lớn xảy xâm thực cho phận nhỏ mà không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất tuabin Trong trường hợp người thiết kế tuabin tăng độ dày chi tiết, dùng vật liệu tốt hơn, có kết cấu tháo lắp cho chi tiết bị xâm thực để hàn đắp sửa chữa Khi thiết kế tuabin cần chọn hệ số xâm thực tuabin nhỏ tốt (để giảm tiền đầu tư xây dựng nhà máy) Mặt khác cần chọn vật liệu thích hợp có khả chống xâm thực Trong vận hành, phát thấy có tượng xâm thực làm cho tuabin làm việc không bình thường khắc phục biện pháp: Bơm khơng khí có áp suất lớn áp suất khí trời vào buồng hút, gần mép bánh cơng tác tốt Có thể tăng tổn thất buồng hút để nâng áp suất vùng bánh công tác Nói chung hai biện pháp khơng kinh tế, dẫn tới giảm hiệu suất tuabin 9.10.6 Máy phát điện thiết bị điện Thông thường, tuabin nước có tốc độ thấp Vì máy phát điện kéo tuabin nước có tốc độ thấp Các máy thường có nhiều đơi cực, trục ngắn, đường kính lớn, chế tạo theo kiểu cực lồi Tùy theo thể loại, tùy theo tốc độ tua bin nước, máy đặt đứng hay nằm ngang Đối với máy phát điện nhỏ, có đường kính ngồi nhỏ m, mạch từ stator khối hình xuyến làm lớp thép kỹ thuật điện có sơn cách điện ghép lại Đối với máy có đường kính lớn m, thường phải làm từ nhiều khối dạng vòng cung Rotor máy phát điện thường làm nhiều khối thép rèn ghép lại với thành nhiều cực từ Trên cực từ có cuộn dây kích thích quấn tập trung Lựa chọn máy phát điện thuỷ lực (MPĐ) * Ký hiệu máy phát điện (Ký hiệu Liên Xô) thông số máy phat điện cỡ lớn Theo ký hiệu Liên Xô, thông số máy phát điện thuỷ lực biểu thị sau: phần chữ in biểu thị kiểu trục máy phát điện; phần chữ số biểu thị đường kính lõi thép từ hữu hiệu (cm); chiều cao lõi thép từ hữu hiệu Lt: (cm); số đơi cực từ 2p Ví dụ: CB 550/150 - 36 biểu thị sau: CB - trục đứng, đồng ba pha; 550 - đường kính lõi thép từ hữu hiệu (cm); 150 - chiều cao lõi thép từ hữu hiệu Lt (cm); 36 - số đơi cực từ máy phát D1 - đường kính ngồi xtato; Hình 9.32 Các kích thước máy phát điện D2 - đường kính ngồi máy làm trục đứng cỡ lớn nguội khơng khí; D3 - đường kính rơto; D4 - đường kính ngồi giá đỡ dưới; D5 - đường kính hầm tuabin; h1 - chiều cao từ xtato đến đỉnh máy kích từ; h2 - chiều cao từ giá đỡ đến xtato; 192 h3 - chiều cao xtato; h4 - chiều cao giá đỡ trên; h5 - chiều cao chung máy phát điện; h6 - chiều dài trục; h7 - chiều cao lớn rôto; h8 - chiều cao từ mặt bích trục đến trung tâm lõi thép từ hữu hiệu; h9 - chiều cao mặt bích đếngiá đỡ dưới; h10 - chiều cao giá đỡ dưới; Xác định thông số MPĐ Các thông số MPĐ bao gồm công suất biểu kiến S, số vòng quay n, tần suất dòng điện f, hiệu suất hmf, hệ số công suất cos , điện áp U Công suất biểu kiến S MPĐ tính theo cơng thức: NT S (KVA) mf cos mf hiệu suất MPĐ, cho bảng tra MPĐ sở chế tạo cung cấp Trong tính tốn sơ ban đầu lấy mf = 0.92 0.94 cho máy phát điện nhỏ, mf = 0.95 0.98 cho máy phát điện lớn, lấy giá trị mf thiên lớn cho MPĐ lớn cos hệ số công suất MPĐ, lấy sau; + cos = 0.8 với MPĐ có S < 125MVA, + cos = 0.85 với MPĐ có S = (125 – 360)MVA, + cos = 0.9 với MPĐ có S > 360MVA, Điện áp MPĐ (hay điện áp stato) lấy theo giá trị S sau: + S < 20MVA U = 6.3KV; + S = (20 – 50)MVA U = 10.5KV; + S = (50 – 150)MVA U = 13.8KV; + S = (150 – 500)MVA U = 15.75KV; + S > 500MVA U = 18.0KV; Ở số nước có U đến 21, 24 27KV, Tần số dòng điện f: Tần số dòng điện MPĐ xoay chiều pha nước ta quy định f = 50Hz Một số vùng quốc gia quy định f = 60 Hz 33 Hz Số vòng quay MPĐ, n: Phụ thuộc vào số vòng quay tuabin, MPĐ tua bin nối đồng trục số vòng quay tuabin số vòng quay MPĐ, quan hệ n f theo công thức sau: N= 60f/p (v/ph), Với p số đôi cực MPĐ: * Xác định kích thƣớc MPĐ: Các kích thước MPĐ xác định qua hai thông số công suất biểu kiến S số vòng quay n, Từ hai thơng số này, dựa vào tài liệu MPĐ, ta chọn MPĐ với kiểu thông số tương ứng, chọn MPĐ hiệu chỉnh Tốt chọn MPĐ chế tạo sẵn, phải thiết kế MPĐ để chế tạo a Chọn máy biến áp MBA Trong nhà máy thuỷ điện (NMTĐ), MBA thiết bị làm tăng điện áp MPĐ lên điện áp cao đường dây tải điện Cấp điện áp đường dây phụ thuộc vào khoảng cách công xuất truyền tải điện áp hệ thống nơi chúng đấu nối Hiện nay, cấp điện áp hệ thống truyền tải Việt Nam 110,220 500KV Dựa vào công suất MPĐ sơ đồ nối điện để lựa chọn MBA phù hợp Khi chọn MBA cần lưu ý: So với nhóm MBA pha cỡ (gồm MBA) MBA pha có kích thước nhỏ rẻ Tuy nhiên tải trọng khối vận chuyển cần thiết MBA pha lớn Do khả vận chuyển phải dùng MBA pha (với công suất 193 pha 1/3 công suất loại pha) Hiện có loại MBA pha tách rời thành khối để thuận tiện vận chuyển lắp ráp, dùng loại MBA đặc biệt đắt MBA 3pha rẻ dùng MBA pha (3 cái) cơng suất Chọn MBA theo catelogue có lập bảng thơng số kích thướccủa MBA chọn b Chọn thiết bị nâng cửa lấy nước NMTĐ Thiết bị nâng TTĐ dùng để nâng hạ cửa van lưới chắn rác cửa lấy nước, cửa van (hoặc phai) sau ống hút, lắp ráp sửa chữa thiết bị NMTĐ Thiết bị nâng thường có loại: Cần trục chân dê, cần trục cầu pa lăng điện (hoặc tay), trường hợp cond dùng tời điện máy nâng thuỷ lực Theo tải trọng tính tốn từ trọng lượng vật nâng lớn (không thể tháo rời) cần nâng hạ di chuyển, tra tài liệu chọn thiết bị để chọn thiết bị nâng phù hợp với vị trí điều kiện làm việc cụ thể Khi lựa chọn cần lưu ý vấn đề sau: * Thiết bị nâng cửa lấy nƣớc: Khi có hai cửa lấy nước nên sử dụng thiết bị độc lập đặt cố định cho cửa riêng biệt, dùng tời, pa lăng, cần trục máy nâng thuỷ lực v…v - Khi số cửa lấy nước nhiều tốt hết dùng cần trục kiểu chân dê cần trục cầu di động dùng chung cho toàn cửa lấy nước TTĐ Với van đóng nhanh (van cố – sửa chữa) thường phải có thiết bị đóng mở tự động riêng, điều khiển từ xa chỗ Thiết bị đóng mở cố định thường tời điện máy nâng thuỷ lực * Thiết bị nâng NMTĐ: Thiết bị nâng NMTĐ cầu trục phục vụ cho lắp ráp sửa chữa tổ máy Với tổ máy lớn thường phải dùng cầu trục kép (2 cái) tải trọng yêu cầu vượt khả làm việc loại cần trục lớn bảng tra Trong trường hợp tải trọng tính tốn cần tăng thêm 10% phải có dầm liên kết cần trục Nhịp cần trục lấy phụ thuộc vào kích thước chiều rộng cửa NMTĐ * Thiết bị nâng cửa ống hút: Thiết bị nâng cửa van hạ lưu thường cần trục chân dê tải trọng lớn, số cửa van nhiều dùng tời, pa lăng tải trọng nhỏ, số cửa van Câu hỏi ơn tập 9.1 Trình bày ngun lý, biện pháp khai thác thủy phân loại cơng trình thủy điện 9.2 Trình bày khái qt thành phần cơng trình (có thể có) kiểu trạm thủy điện 9.3 Nêu thơng số dòng chảy Tuabin nước 9.4 Có cách phân loại Tuabin? nêu phạm vi sử dụng loại Tuabin 9.5 Nêu tượng xâm thực Tuabin Viết công thức xác định chiều cao hút tính tốn cho Trạm thuỷ điện 9.6 Nêu cách lựa chọn máy phát điện thiết bị điện 194 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình: [1] Bộ Nơng nghiệp Phát triển nơng thôn Viện Khoa học Thuỷ lợi (2005) Sổ tay kỹ thuật thuỷ lợi - Phần II tập I NXB Nông nghiệp [2] Bộ Thủy lợi (1986) Sổ tay kỹ thuật thuỷ lợi tập I, II, III, IV NXB Nông nghiệp [3] Chiến lược quốc gia tài nguyên nước đến năm 2020 [4] GS-TS Hà Văn Khối (2005) Giáo trình qui hoạch quản lý tài nguyên nước NXB Nông nghiệp Hà Nội [5] PGS-TS Hoàng Văn Huệ cộng (1996) Cấp thoát nước NXB Khoa học Kỹ thuật [6] PGS-TS Hồ Sỹ Dụ (2003) Cơng trình trạm thủy điện NXB Xây dựng Hà Nội [7] Ngơ Trí Viềng cộng (1998) Thủy công tập I, tập II NXB Nông nghiệp Hà Nội [8] Nguyễn Duy Hạnh - Nguyễn Duy Thiện (1987) Trạm thủy điện nhỏ vừa NXB Xây dựng [9] Nguyễn Đình Huấn, Nguyễn Lan Phương (2007) Cấp thoát nước Đại học Đà Nẵng [10] Nguyễn Thanh Sơn (2005) Đánh giá tài nguyên nước Việt nam NXB Giáo dục [11] Phan Trường Phiệt (1976) Tính tốn loại cơng trình thuỷ lợi theo trạng thái giới hạn NXB Nông thôn [12] Luật bảo vệ môi trường (2005) [13] Luật tài nguyên nước (1998) [14] Phan Trường Phiệt (2001) Áp lực đất tường chắn đất NXB Xây dựng [15] Trần Công Duyên cộng (1992) Thủy công NXB Nông nghiệp Hà Nội [16] Trần Văn Cờ (1980) Thủy công tập I, tập II, tập III [17] Nguyễn Thượng Bằng - Hồng Đình Dũng - Vũ Hữu Hải (2000) Thủy điều tiết dòng chảy NXB Xây dựng Hà Nội [18] Trường Đại học Thuỷ lợi (1972) Thuỷ nông tập I, tập II [19] Trường Đại học Thủy lợi (2005) Tua bin thủy lực NXB Xây dựng Hà Nội [20] Trường Đại học Thuỷ lợi (2006) Qui hoạch thiết kế hệ thống thuỷ lợi tập I, tập II [21] Trường Đại học Xây dựng (2005) Hướng dẫn đồ án nhà máy thuỷ điện NXB Xây dựng Các tiêu chuẩn hành Nhà nƣớc: Nghị định số: 12/2009/NĐ-CP ngày 10/02/2009 Chính phủ Quản lý dự án đầu tư xây dựng cơng trình 22 TCN 272-05 Tiêu chuẩn thiết kế cầu TCXDVN 285:2002 Cơng trình thuỷ lợi - Các quy định chủ yếu thiết kế TCVN 2737:1995 Tải trọng tác động - Tiêu chuẩn thiết kế TCN 200-1989 Quy trình thiết kế cơng trình thiết bị phụ trợ thi cơng cầu TCVN 4253-86 Nền cơng trình thuỷ cơng - Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 4116-85 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép thuỷ công - Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 4118-85 Hệ thống kênh tưới - Tiêu chuẩn thiết kế 14 TCN 7-85 (QPTL C.8.76) Quy phạm tính tốn thủy lực đập tràn 14TCN 28-85 (QPTL C.1.78) Quy phạm tải trọng lực tác dụng lên công trình thuỷ lợi (do sóng tàu) 14TCN 30-85 (QPTL C3.75) Quy phạm thiết kế kết cấu gạch đá, gạch đá cốt thép 14TCN 35-85 (HDTL.C.4.76) Hướng dẫn thiết kế tường chắn cơng trình thuỷ lợi TCN 10-85 Quy phạm tính tốn đặc trưng thuỷ văn thiết kế 14TCN 56-88 Thiết kế đập bê tông bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế QPTL 11.77 Quy phạm thiết kế đập đất đầm nén QPTL C.5.75 Quy phạm thiết kế tầng lọc ngược cơng trình thuỷ cơng TCXD 57-73 Thiết kế tường chắn cơng trình thuỷ công Tài liệu tham khảo (cho phần Ngọc Nhuận viết): Các tiêu chuẩn hành Nhà nước: Giáo trình tài liệu khác: - Bộ mơn thuỷ công, Trường Đại học thuỷ lợi (19 ), Giáo trình thuỷ cơng tập I,II NXB nơng thơn - Bộ Thủy lợi, Trường Trung học thủy lợi (1992 ), Giáo trình thủy cơng NXB Nơng Nghiệp - Chưa tên (1987), Thiết kế cầu cống nhỏ đường ô tô Nhà máy in sách KHKT Tài liệu tham khảo (cho phần mà Quốc Trịnh viết): [1] PGS-TS Hoàng Văn Huệ cộng (1996) Cấp thoát nước NXB Khoa học Kỹ thuật [2] GS-TS Hà Văn Khối (2005) Giáo trình qui hoạch quản lý tài nguyên nước NXB Nông nghiệp - Hà Nội [3] Nguyễn Thanh Sơn (2005) Đánh giá tài nguyên nước Việt nam NXB Giáo dục [4] Trường Đại học Thuỷ lợi (2006).Qui hoạch thiết kế hệ thông thuỷ lợi tập I [5] Luật tài nguyên nước (1998) [6] Chiến lược quốc gia tài nguyên nước đến năm 2020 [7] Luật bảo vệ môi trường (2005) [1] PGS-TS Hoàng Văn Huệ cộng (1996) Cấp thoát nước NXB Khoa học Kỹ thuật [2] GS-TS Hà Văn Khối (2005) Giáo trình qui hoạch quản lý tài nguyên nước NXB Nông nghiệp - Hà Nội [3] Nguyễn Thanh Sơn (2005) Đánh giá tài nguyên nước Việt nam NXB Giáo dục [4] Trường Đại học Thuỷ lợi (2006).Qui hoạch thiết kế hệ thông thuỷ lợi tập II [5] Luật tài nguyên nước (1998) [6] Chiến lược quốc gia tài nguyên nước đến năm 2020 [7] Luật bảo vệ mơi trường (2005) [8] Nguyễn Đình Huấn, Nguyễn Lan Phương (2007), Cấp thoát nước, ĐH Đà Nẵng ... khơng 2- 1 có biểu đồ hệ số tưới lấy Qmin = 0,4 Qtk N4 N2-3 N2 -2 N6 - Trình tự tính tốn lưu lượng kênh: N 2- 2 -2 N 2- 2-1 Hệ thống kênh tưới bố trí theo dạng phân B N 2- 2-3 nhánh (Hình 7 .2) Kênh... B r=0.5B r=0.5B r=0 .28 3B r=0 .28 3B R=B H=B H=B B R= H=B H=B R=B cc/ ) r=0.15B r=0.15B r=0 .20 78B r=0 .20 78B B B B B 5B R= 2B R=B H=1.4B H=1.4B dd/) H=1.3B H=1.3B r=0 .25 B r=0 .25 B 0.3B H=1.3B H= 1.3... loại đường hầm không áp đường hầm có áp 6.3.3 Các hình thức bố trí Cống ngầm a/ a) R b/ b) 3 2 2 2 2 2 2 2 Hình 6.11 Các loại ống ngầm lấy nước a Có cửa van đặt hạ lưu b Lấy nước kiểu ống đặt nghiêng