Tính toán, thiết kế hệ thống nâng hạ cửa van vận hành của nhà máy thuỷ điện SêSan 4

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP-TỰ DO-HẠNH PHÚC ******************** NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN Đề tài thiết kế Tính toán, thiết kế hệ thống nâng hạ cửa van vận hành của nhà máy thuỷ điện SêSan 4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán. Đồ án tốt nghiệp bao gồm 04 chương, lời nói đầu, kết luận và phục lục. Chương I - Giới thiệu chung về nhà máy thuỷ điện, phạm vi của đồ án tốt nghiệp. Chương II – Cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế cửa van phẳng. Chương III – Tính toán, thiết kế cửa van vận hành nhà máy thuỷ điện Sê San 4. Chương IV – Tính toán, thiết kế bộ tời 2x80 tấn. Cán bộ hướng dẫn: Ngày được giao nhiệm vụ: ………………………………………….. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ................................................................... Ngày …… tháng….. năm 20 Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hướng dẫn ( ký, ghi rõ họ tên) ( ký, ghi rõ họ tên)  BẢN NHẬN XÉT TỐT NGHIỆP Cán bộ duyệt thiết kế: Đề tài tốt nghiệp: Tính toán, thiết kế hệ thống nâng hạ cửa van vận hành nhà máy thuỷ điện Sê San 4. Nhận xét: a) Nhận xét của cán bộ hướng dẫn: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… b) Nhận xét của cán bộ duyệt thiết kế ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Ngày …. tháng….năm 20 Người duyệt ký LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của xã hội, đòi hỏi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cao, nhất là điện năng. Trong khi những nhiên liệu hoá thạch như than đá, dầu mỏ… đang ngày càng cạn kiệt, năng lượng nguyên tử đòi hỏi phải có trình độ khoa học kĩ thuật phát triển cao lại tác động tới môi trường, thì việc sử dụng các nguồn năng lượng “sạch” hay các nguồn năng lượng có thể tái sinh như năng lượng mặt trời, năng lượng gió… là một giải pháp hữu hiệu. Trong những nguồn năng lượng có thể tái sinh thì phải kể đến thuỷ điện. Ở Việt Nam, thuỷ điện không những là nguồn cung cấp năng lượng chính mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết lượng nước phục vụ cho nông nghiệp. Chúng ta đã có những nhà máy thuỷ điện lớn với công suất cao như nhà máy thủy điện Hoà Bình, Yali, Thác Bà… và tới đây là nhà máy thủy điên Sơn La là nhà máy thủy điện lớn và hiện đại nhất Đông Nam Á. Một nhà máy thuỷ điện bao gồm rất nhiều hệ thống cơ khí như đập tràn, đường ống áp lực, cầu trục chân dê… Một trong những bộ phận quan trọng nhất của nhà máy thuỷ điện là cửa van vận hành. Trong đồ án này tác giả xin trình bày việc “ Tính toán, thiết kế hệ thống nâng hạ cửa van vận hành nhà máy thuỷ điện Sê San 4”. MỤC LỤC Nhiệm vụ thiết kế đồ án ……………………………………………………………1 Bản nhận xét tốt nghiệp……………………………………………………………..3 Lời nói đầu …………………………………………………………........................5 Mục lục ……………………………………………………………………………..7 Chương I: Giới thiệu chung về nhà máy thủy điện và phạm vi công việc của đồ án…………………………………………………………………………………….9 1. Điện năng và tình hình sản xuất điện năng trong nước và trên thế giới…………………………………………………………………………………..9 2. Các thiết bị chính trong nhà máy thủy điện………………………………9 2.1. Các thiết bị cơ khí thủy lực………………………………………10 2.2. Các thiết bị cơ khí thủy công…………………………….............11 2.3. Giới thiệu về sự vận hành của các loại cửa van, sự cần thiết của các thiết bị nâng……………………………………………………………………12 3. Phạm vi của đồ án.....................................................................................12 Chương II: Cơ sở lý thuyết tính toán cửa van phẳng..............................................13 1. Giới thiệu chung về cửa van phẳng..................................................13 1.1. Giới thiệu chung về cửa van........................................................13 1.2. Phân loại và kết cấu cửa van phẳng...............................................14 2. Các yêu cầu cơ bản cho việc tính toán, thiết kế cửa van............................17 2.1. Các thông số cần thiết cho việc tính toán, thiết kế cửa van...........17 2.2. Các yêu cầu đối với cửa van..........................................................17 3. Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế cửa van phẳng..................................... 18 3.1. Các tải trọng tác dụng................................................................... 18 3.2. Cở sở lý thuyết tính toán, thiết kế cửa van phẳng..........................21 Chương III: Tính toán, thiết kế cửa van vận hành cho nhà máy thủy điện SêSan 4.................................................................................................................................37 1. Mô tả kết cấu của cửa van..........................................................................37 2. Chọn vật liệu theo tiêu chuẩn.....................................................................38 3. Các dạng tải trọng tác dụng lên cửa van.....................................................42 3.1 Tải trọng địa chấn lên cửa van........................................................ 3.2 Áp suất thuỷ tĩnh ở mực nước lớn nhất............................................ 4. Tính toán và kiểm nghiệm độ bền các thành phần chịu tải của cửa van....46 5. Thiết kế bánh xe vận hành.........................................................................61 6. Thép khe van..............................................................................................64 7. Tính lực đóng mở cần thiết khi nâng cửa van............................................68 Chương IV: Thiết kế bộ tời nâng 2x80 tấn...........................................................71 1. Giới thiệu chung về bộ tời………………………………………………..71 1.1. Thành phân cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ tời...................71 1.2. Điệu kiện vận hành của tời............................................................72 1.3. Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế bộ tời.......................................72 2. Tính toán, thiết kế bộ tời nâng..................................................................79 2.1. Tính toán và chọn loại dây............................................................79 2.2. Tính toán các kích thước cơ bản của tang……………………….80 2.3. Tính chọn động cơ điện................................................................83 2.4. Chọn truyền động cho cơ cấu nâng chính……………………….85 2.5. Các bộ phận khác của cơ cấu nâng...............................................87 2.6 Tính kiểm tra cụm móc nâng 2x80 tấn..........................................94 Kết luận chung..........................................................................................................97 Tài liệu tham khảo....................................................................................................98 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ PHẠM VỊ CÔNG VIỆC CỦA ĐỒ ÁN. 1. Điện năng và tình hình sản xuất điện năng trong nước và trên thế giới. 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… Theo thống kê đến năm 2007, thủy điện chiếm 23,2% trong tổng số 13.097,7 tỉ KWh của toàn thế giới và tỉ lệ này ngày một tăng nhanh để bù đắp cho việc giảm công suất của các nhà máy nhiệt điện vì tác động lớn lao của chúng đến môi trường. Ở nước ta để đáp ứng sự phát triển nền kinh tế trong những năm đầu thế kỷ 21, dự báo nhu cầu dùng điện đến năm 2005 ước tính khoảng 53,6 tỷ KWh/ năm, năm 2010 là 87,82 tỷ KWh/năm, nhu cầu phụ tải tương ứng 10,4 triệu KW và 14,56 triệu KW. Đến năm 2020 nhu cầu điện sẽ tăng gấp đôi trong đó thủy điện đóng vai trò lớn trong hệ thống điện Việt Nam và chiếm khoảng 50%-60% công suất của toàn hệ thống. Tuy nhiên, sau năm 2020 tỷ trọng thủy điện trong hệ thống có xu hướng giảm vì phần lớn trữ năng thủy điện đã được khai thác mà nhu cầu dùng điện tăng cao do đó cần phải bổ sung các dạng năng lượng khác chủ yếu là điện dùng khí đốt hoặc dầu. Các nguồn năng lượng như điện nguyên tử, năng lượng gió, năng lượng mặt trời và thuỷ triều cũng sẽ được nghiên cứu đưa vào sử dụng. 2. Các thiết bị chính trong nhà máy thủy điện 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. 2.1. 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 ... 2.2. Các thiết bị cơ khí thủy công Hệ thống cơ khí thủy công của một nhà máy thủy điện bao gồm : TT Hạng mục Ghi chú 1 Đập tràn 1.1 Khe và cửa van sửa chữa 1.2 Khe và cửa van cung 1.3 Xilanh thủy lực đồng bộ với trạm thủy lực 1.4 Cầu trục chân dê phục vụ nâng hạ cửa van sửa chữa 1.5 Dầm cặp cơ khi 2 Cửa lấy nước 2.1 Khe và cửa van sửa chữa 2.2 Khe và cửa van vận hành 2.3 Khe và lưới chắn rác – gầu vớt rác 2.4 Cầu trục chân dê 2.5 Xy lanh thủy lực đồng bộ với trạm thủy lực 2.6 Dầm cặp cơ khí 3 Cửa hạ lưu 3.1 Khe và cửa van hạ lưu 3.2 Thiết bị nâng hạ cửa van 4 Đường ống áp lực 4.1 Thép lót đường hầm 4.2 Đường ống hở 4.3 Đoạn ống chia nước vào tổ máy 4.4 Khớp bù nhiệt, bù nún 4.5 Gối đỡ đường ống hở 5 Gian máy 5.1 Cầu trục gian máy 5.2 Dầm cặp cơ khí a-/ Đập tràn Đập tràn là một trong những hạng mục quan trọng nhất của các nhà máy thủy điện do đập tràn: Điều tiết nước hồ chứa đảm bảo cột nước làm việc cho tuabin. Đảm bảo vấn đề thủy lợi tưới, tiêu cho hạ du. Bảo vệ an toàn cho đập, nhà máy và các công trình khác. Đảm bảo vấn đề giao thông đường thủy… b-/ Cửa nhận nước Trong các công trình thủy điện hạng mục cửa nhận nước đóng vai trò khá quan trọng, nó đảm bảo các vấn đề: Cung cấp nước để vận hành tổ máy. Bảo vệ đường ống, tuốc bin và nhà máy khi có sự cố xảy ra. Ngăn nước trong quá trình sửa chữa bảo dưỡng tuốc bin và các thiết bị trong nhà máy… c-/ Đường ống áp lực Thép lót đường hầm và đường ống là một thành phần của tuyến đường dẫn nước có khả năng cung cấp lưu lượng thiết kế cho các tổ máy phát điện. d-/ Các thiết bị phụ trợ khác Trong các công trình thủy điện ngoài các thiết bị cơ khí thủy lực, thiết bị cơ khí thủy công còn có các thiết bị phụ khác như thiết bị quan trắc, thông tin liên lạc… 2.3. Giới thiệu về sự vận hành của các loại cửa van – sự cần thiết của các thiết bị nâng tới sự vận hành. Cửa van là bộ phận rất quan trọng trên các công trình thủy lợi. Nó dùng để điều tiết dòng chảy, điều chỉnh mực nước và lưu lượng qua công trình. Cửa van không thể thiếu trong các công trình thủy điện: điều tiết dòng chảy vào tuabin, tích nước vào hồ chứa nước, đóng cửa van sửa chữa tuabin… Như vậy công trình thủy điện khai thác tốt hay không, có đạt được mục tiêu thiết kế hay không phụ thuộc vào sự vận hành kết cấu cửa van. Sự vận hành của cửa van rất quan trọng bởi vậy trong thực tế sử dụng hai loại cửa van là cửa van tự động thủy lực, còn các loại khác là đóng mở cưỡng bức. Vậy sự vận hành cửa van phải phù hợp với loại kết cấu, quỹ đạo chuyển động phù hợp với tải trọng nâng, môi trường khắc nghiệt và các điều kiện cụ thể khác của chế độ làm việc của cửa van trên công trình thủy lợi, thủy điện. Để cửa van làm việc hiệu quả tốt nhất như mong muốn thì thiết bị nâng đóng vai trò quan trọng trong sự vận hành của cửa van. Chính sự làm việc kịp thời hiệu quả với độ chính xác và tin cậy cao của thiết bị nâng hạ là yếu tố chủ yếu quyết định tới yếu tố làm việc của nhà máy thủy điện. Chính vì vậy có thể nói thiệt bị nâng trong nhà máy thủy điện là khâu then chốt trong quá trình hoạt động. Chính sự cần thiết và quan trọng như vậy nên việc lựa chọn thiết bị nâng hạ, tính toán thiết kế chính xác sẽ giúp cửa van vận hành chính xác giúp nhà máy thủy điện đạt hiệu quả làm việc cao. 3. Phạm vi công việc của đồ án. Hệ thống cơ khí của một nhà máy thủy điện bao gồm rất nhiều hạng mục như đã trình bày ở trên, trong phạm vi đồ án này em xin trình bày “ Tính toán, thiết kế hệ thống nâng hạ cửa van vận hành của NMTĐ SÊSAN 4”. Đồ án này bao gồm 5 chương: Chương I – Giới thiệu chung về nhà máy thủy điện và phạm vi thực hiện đồ án. Chương II – Cơ sở lý thuyết tính toán cửa van phẳng. Chương III – Tính toán, thiết kế cửa van vận hành của nhà máy thủy điện Sê San 4. Chương IV – Cơ sở lý thuyết và tính toán thiết kế bộ tời nâng 2x80 tấn. CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CỬA VAN PHẲNG 1. Giới thiệu chung về cửa van phẳng 1.1 Giới thiệu chung về cửa van Cửa van là một kết cấu dùng phổ biến trong các công trình thuỷ lợi. Cửa van là một bộ phận khá quan trọng. Công trình có khai thác tốt hay xấu, có đạt được mục tiêu thiết kế hay không là phụ thuộc vào sự vận hành của cửa van. Vật liệu chế tạo cửa van chủ yếu là thép. Cửa van có kích thước nhỏ, có thể làm bằng gỗ, bê tông cốt thép hay xi măng lưới thép. Theo nhiệm vụ, cửa van được phân thành: cửa van chính( cửa van công tác), cửa van sửa chữa, cửa van bảo hiểm, cửa van thi công Cửa van chính là cửa van được sử dụng để khai thác công trình có thể đóng mở hoàn toàn hoặc một phần để điều tiết lưu lượng họăc khống chế mực nước thượng, hạ lưu, cửa van thường làm việc dưới áp lực thuỷ động. Cửa van sửa chữa là cửa van được dùng khi cần tu sửa định kì cửa van chính, sửa cống, sửa tuabin…, cửa van này thường làm việc dưới tác dụng của áp lực thuỷ tĩnh. Cửa van bảo hiểm dùng khi cửa van chính hoặc các bộ phận công trình sau van có sự cố. Cửa van thi công là cửa van được sử dụng trong quá trình xây dựng công trình. Theo vị trí, cửa van được phân thành hai loại: cửa van trên mặt nước và cửa van ở dưới sâu: Cửa van trên mặt nước là cửa van khi đóng có đỉnh cao hơn mực nước thượng lưu. Cửa van này thường chịu cột nước tương đối thấp, nhưng kích thước lại rất lớn. Tuy nhiên nó có ưu điểm là dễ kiểm tra, tu sửa. Cửa van ở dưới sâu là cửa van khi đóng đỉnh của nó vẫn nằm dưới mực nước thượng lưu. Chiều cao cột nước ở phía trên đỉnh van có thể từ 1m đến vài chục met, có thể lên đến hang trăm mét. Cửa van dưới sâu chịu cột nước rất lớn cho nên phải đòi hỏi kết cấu chịu lực cao. Do làm việc ở dưới sâu nên khó kiểm tra, tu sửa, bảo dưỡng. Tuy nhiên nó có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn. Theo hình thức kết cấu, cửa van có thể chia làm các loại: Cửa van phẳng: là loại có bản chắn nước phẳng và khi đóng mở cửa van chuyển động tịnh tiến thẳng. Cửa van hình cung: có bản mặt chắn nước là mặt trụ cong, khi đóng mở cửa van chuyển động quay quanh một trục cố định. Cửa van hình quạt: có bản mặt chắn nước là mặt trụ cong, khi đóng mở cửa van chuyển động quay quanh một trục cố định, trục quay có thể bố trí ở thượng lưu hoặc hạ lưu. Cửa van kiểu ống lăn: là một ống rỗng, khi đóng mở cửa van lăn theo đường ray xiên. Cửa van hình mái nhà: được tạo bởi hai cánh van quay quanh hai trục thẳng đứng, khi cửa van đóng hai cánh tựa vào nhau, khi cửa van mở hai canh ép vào vách tường âu thuyền. 1.2 Phân loại và kết cấu của cửa van phẳng 1.2.1. Các loại cửa van phẳng Cửa van phẳng bao gồm các loại như cửa van đơn, cửa van kép, cửa van nhiều tầng, cửa van có cửa phụ. Cửa van đơn biểu thị như hình 2.1a. Loại cửa van này không cho phép nước tràn qua đỉnh. Nó được dùng làm cửa van chính, cửa van bảo hiểm, cửa van sửa chữa, cửa van thi công trong các cống và đập tràn. Chiều cao cửa van có thể lên tới 14 m, nhịp cửa van có thể tới 30-40 m. Cửa van phẳng nhiều tầng là cửa van được phân thành nhiều đoạn theo chiều cao. Loại cửa van này có thể đóng mở lần lượt từng chiếc một hoặc đồng thời nhiều chiếc. Cửa van nhiều tầng được sử dụng khi chiều cao của cống lớn. Nếu dùng cách đóng mở từng chiếc một thì thì thiết bị đóng mở có thể nhỏ đi rất nhiều. Loại cửa van này có ưu điểm là dễ chế tạo, chuyên chở và lắp ráp, nhưng không thuận tiện trong khai thác. Cửa van phẳng kép là cửa van có hai cánh ( hình 2.1b). Khi hạ cánh trên có thể thao được vật nổi mà không bị mất nhiều nước trong hồ chứa. Loại cửa van này dung thích hợp khi cột nước không nhỏ hơn 5m. Cửa van kép có thể đóng mở độc lập với nhau. Nhược điểm của nó là chế tạo phức tap. Hình 2.1 Các loại cửa van phẳng Cửa van phẳng có cửa phụ( hình 2,1c) cũng có tác dụng thoát vật nổi như là van kép. Hình dạng mặt trên của cửa van phụ cần phải đảm bảo không xảy hiện tượng chân không khi nước tràn qua làm cho cửa van bị rung động. Kết cấu cửa van phụ cần phải có đủ độ cứng để chịu momen uốn va momen xoắn lớn, đồng thời để chịu lực va chạm do vật nổi sinh ra. Cửa van phẳng được sử dụng rộng rãi vì có các ưu điểm sau: Có thể dung trên đập tràn có hình dạng bất kì. Cửa van phẳng không đòi hỏi kích của công trình dọc theo dòng chảy phải lớn như các loại cửa van khác. Cửa van phẳng có thể dung đóng mở các lỗ cống có bề rộng và chiều cao lớn, có thể đóng mở nhanh, đơn giản và an toàn khi vận hành. Nhưng kết cấu lại đơn giản, dễ chế tạo lắp ráp, dễ bảo quản, kiểm tra và sửa chữa. Có thể chia thành nhiều đoạn do đó có thể hạ thấp được chiều cao của mố, chiều cao của máy đóng mở, giảm nhỏ được lực đóng mở khi vận hành. Bị mất nước do thấm không nhiều. Với các ưu điểm trên nên cửa van phẳng được sử dụng khá rộng rãi có thể làm cửa van chính, cửa vam bảo hiểm, cửa van sữa chữa và thi công. 1.2.2. Kết cấu cửa van phẳng Cửa van phẳng gồm hai bộ phận cơ bản: bộ phận động ( kết cấu chịu tải trọng) và bộ phận cố định. Ngoài ra còn có máy nâng để đóng mở cửa van. Bộ phận động của cửa van phẳng gồm các thành phần sau: bản mặt, ô dầm ngang( hoặc giàn ngang), dầm chính( hoặc giàn chính), giàn chịu trọng lượng, cột biên, các gối đỡ, thiết bị định hướng, vật chắn nước, thiết bị treo. Bản mặt thường đặt về phía thượng lưu của cửa van, có tác dụng trực tiếp đỡ áp lực nước và truyền tải trọng lên dầm phụ ngang và đứng. Ô dầm được tạo bởi dầm phụ ngang và dầm phụ đứng, nó trực tiếp đỡ bản mặt và truyền tải trọng từ bản mặt lên giàn ngang. Giàn ngang chịu tải trọng từ ô dầm chuyển tới và truyền tải trọng này lên dầm chính. Giàn ngang còn có tác dụng làm tăng độ cứng của mặt cắt ngang của cửa van. Dầm chính chịu toàn bộ áp lực nước tác dụng lên cửa van và truyền áp lực đó lên trụ biên. Dầm chính ngoài chịu uốn trong mặt phẳng ngang do áp lực nước sinh ra còn chịu uốn trong mặt phẳng thẳng đứng do trọng lượng bản thân vì cánh cửa dầm chính cũng là thanh cánh cửa giàn chịu trọng lượng. Giàn chịu trọng lượng được bố trí ở phía thượng lưu và hạ lưu của cửa van, nó được tạo bởi cánh của dầm chính, cánh của giàn ngang và các thanh xiên. Giàn này chịu trọng lượng bản thân của cửa van và các tải trọng thẳng đứng khác rồi truyền lên trụ biên. Ngoài ra nó còn có tác dụng bảo đảm khoảng cách không đổi giữa hai dầm chính, làm tăng tính ổn định của các thanh cánh nén của dầm, giảm biến dạng thẳng đứng của dầm chính. Trong các cửa van có bản mặt bằng thép thì không cần đặt giàn chịu trọng lượng ở phía bản mặt vì bản mặt có tác dụng như bản bụng của giàn chịu trọng lượng, còn cánh của dầm chính cũng có tác dụng như thanh cánh của giàn chịu trọng lượng. Trụ biên chịu tải trọng từ dầm chính và giàn chịu trọng lượng truyền tới và chuyển các tải trọng này lên bộ phận gối tựa động của cửa van. Trụ biên còn dùng để nối cửa van với thiết bị kéo van. Bộ phận gổi tựa động dung để chuyển áp lực lên bộ phận cố định của cửa van và dung để di chuyển cửa van trong quá trình khai thác. Để hạn chế sự xê dịch ngang và lệch, cũng như để tránh xảy ra hiện tượng rung động khi cửa không đóng hoàn toàn, cần phải đặt bánh xe ngược hướng và bánh xe bên. Chúng có tác dụng như các thiết bị gối tựa phụ. Vật chắn nước ngăn không cho nước chảy theo chu vi bản mặt. Đối với cửa van ở dưới sâu vật chắn nước phải được đặt theo cả bốn cạnh. Thiết bị treo dung để nối cửa van với thanh treo hoặc dây cáp của máy đóng mở. Bộ phận cố định của cửa van phẳng gồm có: đường ray chính( mặt lăn hoặc đường trượt), đường ray ngược hướng và đường ray bên, các bộ phận cố định của vật chắn nước thẳng đứng và nằm ngang, các thép góc gia cố khe van và dầm tường ngực. 2. Các yêu cầu cơ bản cho việc tính toán thiết kế cửa van 2.1. Các thông số cần thiết cho việc tính toán thiết kế cửa van Khi thiết kế cửa van cần có các số liệu sau: Bố trí chung của công trình, số lượng cửa van, kích thước lỗ cống, vị trí lỗ cống (cao trình đỉnh cống và ngưỡng cống). Điều kiện làm việc của cửa van: cửa van thuộc loại cửa van trên mặt hay dưới sâu, là cửa van chính, cửa van sửa chữa hay cửa van bảo hiểm. Hình thức cửa van. Các lực tác dụng lên cửa van. Điều kiện lắp rắp, chế tạo và vận chuyển cửa van. Loại máy đóng mở. Số lần vận hành trong một năm và thời gian cần thiết của mỗi lần vận hành. Vật liệu chế tạo cửa van. 2.2. Các yêu cầu đối với cửa van Ngoài các yêu cầu về kinh tế, kĩ thuật, đối với cửa van còn có một số yêu cầu sau: Phần nối tiếp giữa khe van và cửa van phải đảm bảo không rò rỉ nước. Cửa van và các thiết bị của nó phải tuân theo các yêu cầu về đóng mở, đảm bảo đủ độ mở quy định, thoả mãn yêu cầu về giữ nước và thao nước. Cửa van luôn luôn bị ngâm trong nước nên cần phải định kì quét sơn để phòng cửa van bị han rỉ. Khi để nước chảy ở dưới cửa thì mép dưới cửa van phải có dạng thuận dòng để tránh hiện tượng khí thực và mạch động. Nếu để nước chảy tràn đỉnh van thì đỉnh phải có hình dạng đảm bảo không cho xảy ra hiện tượng chân không. Khi cửa van có chiều cao lớn, để tiện cho việc chuyên chở và lắp ráp, nên phân cửa van thành nhiều đoạn, mỗi đoạn từ 3-4m, nhưng nếu cửa van chịu áp lực thuỷ động lớn thì không nên phân đoan. Đối với các công trình cần xả lũ nhanh thì việc thao tác nên được trang bị tự động, đặc biệt là đối với các công trình lớn, số lượng cửa nhiều. 3. Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế cửa van phẳng 3.1. Các trường hợp tải trọng tác dụng. 3.1.1. Áp lực thuỷ tĩnh: Áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên một đơn vị diện tích ở điểm bất kỳ trên bề mặt cửa van tỷ lệ bậc nhất với chiều sâu chịu tải của điểm đó và có phương thẳng góc với bề mặt ấy. giá trị cường độ áp lực thuỷ tĩnh được xác định theo công thức sau: P= ( KN/m2) (2.1) Trong đó: - là trọng lượng riêng của nước, thường lấy (KN/m3); - H là chiều sâu chịu tải, (m) ; Diện tích bề mặt cửa van chịu áp lực thuỷ tĩnh phụ thuộc vào cấu tạo và vị trí vật chắn nước ngang và đứng. Đối với cửa van phẳng ở dưới sâu áp lực thuỷ tĩnh được tính dựa theo biểu đồ áp lực thuỹ tĩnh. Hình 2.2 Biểu đồ áp lực thủy tĩnh Hợp lực và vị trí của hợp lực áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên cửa van ở trên mặt khi hạ lưu không có nước được xác định như sau : (2.2) Trong đó : - trọng lượng riêng của nước thường lấy bằng 10KN/m3. Ht - chiều cao cột nước thượng lưu. ht - chiều cao chịu tải trọng của cửa van, bằng khoảng cách giữa hai vật chắn nước ngang. lt - nhịp chịu lực của cửa van. 3.1.2. Áp lực thuỷ động : Áp lực thuỷ động tác dụng lên cửa van xuất hiện khi nước chảy dưới van hay khi tràn qua van. Áp lực thuỷ động( không xét tới ảnh hưởng của chân không) tác dụng lên cửa van nhỏ hơn áp thuỷ tĩnh. Nếu hình dạng mép dưới van phù hợp với hình dạng mặt trên của dòng chảy dưới van thì không có áp lực thẳng đứng tác dụng lên phía dưới van. nếu điều kiện không thoả mãn mà dòng chảy dưới van không tách rời bề mặt của mép dưới van thì áp lực thuỷ động tác dụng lên van sẽ hướng từ dưới lên và cũng có giá trị nhỏ hơn áp lực thuỷ tĩnh. nếu dòng chảy tách rời khỏi mép dưới van, tạo thành một khoảng không gian bị ngăn cách với khí trời, sẻ xuất hiện chân không, có tác dụng hút cửa van vào ngưỡng, do đó làm tăng lực kéo van. lực hút tác dụng lên cửa van khi vật chắn nước ngang vừa rời khỏi ngưỡng, được xác định theo công thức sau : Ph = p.bc.lc Trong đó : p=60 kN/m2 cường độ áp lực chân không. bc bề rộng của vật chắn nước tiếp xúc với ngưỡng. lc chiều chịu tải của vật chắn nước. 3.1.3. Lực đẩy và lực thấm : Lực đẩy là lực tác dụng lên mép dưới cửa van khi van tựa vào ngưỡng. chiều của lực đẩy hướng từ dưới lên trên. Trị số của lực đẩy được tính theo công thức sau : Pd =.Ht.a.lc (2.3) Trong đó : Ht là chiều cao cột nước thượng lưu, a là bề rộng diện tích chịu áp lực nước lc là chiều dài diện tích chịu áp lực nước bằng chiều dài vật chắn nước, 3.14. Áp lực bùn cát : Áp lực bùn cát lên cửa van được xác định theo công thưc sau : Pb = 0,5..hb2.tg2(450 -.lt (2.4) Trong đó : hb chiều cao của lớp bùn cát. lt chiều dài của diện tích chịu tải của cửa van. trọng lượng đơn vị của bùn cát trong nước. φ là góc ma sát trong cửa bùn cát. 3.1.5. Áp lực của sóng và áp lực gió : Áp lực của sóng tác dụng lên cửa van được tính theo các công thức cho trong qui phạm hiện hành. chiều cao cột nước tính toán để xác định áp lực nước ngang lúc này cần phải cộng thêm vào chiều cao sóng. Ap lực gió tác dụng lên cửa van được xét đối với trường hợp khi van nhấc lên khỏi mặt nước. cửa van đang xét đến là cửa van dưới sâu nên có thể bỏ qua áp lực của sóng và áp lực gió. 3.1.6. Trọng lượng bản thân cửa van. Khi thiết kế sơ bộ có thể xác định trọng lượng bản thân van theo kết cấu van tương tự đã có hoặc theo các công thức kinh nghiệm. Trọng lượng van phụ thuộc vào các yếu tố sau : giá trị cột nước, bề rộng và chiều cao thông thuỷ, vật liệu chế tạo van và loại kết cấu của van. Có thể xác định theo công thức kinh nghiệm sau : (daN/m2) (2.5) Trong đó : g - trọng lượng phần động của cửa van phẳng tính cho 1m2 chịu tải. Hc - chiều cao cột nước tính toán tại tâm phần chịu lực. lc - chiều cao chịu tải trọng của cửa van. 3.2. Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế cửa van phẳng Các phân tố kết cấu phần động của cửa van về cường độ, ổn định, biến dạng và mỏi được tính toán theo phương pháp trạng thái giới hạn. các phân tố cố định và các chi tiết cơ khí được tính theo phương pháp ứng suất cho phép. kết cấu cửa van là kết cấu không gian và chịu tải trọng khá phức tạp nên khi phân tích nội lực để đơn giản ta đưa về các hệ phẳng. Nội lực các phân tố nằm trên giao tuyến giữa hai hệ phẳng lấy bằng tổng nội lực trong hai hệ phẳng đó. Tuy cách tính này không phản ánh đúng tình hình chịu lực thực tế của cửa van nhưng nó được chấp nhận sử dụng đối với các cửa van nhỏ, khá đơn giản. Với cửa van có kích thước lớn và chịu cột nước lớn thì bắt buộc phải tính như một hệ không gian. Sau đây trình bày phương pháp tính toán và kiểm tra bền một số kết cấu quan trọng của cửa van phẳng. 3.2.1. Phương pháp tính toán và kiểm tra dầm chính a -/ Chọn số lượng dầm chính Số lượng dầm chính phụ thuộc vào kích thước của lỗ cống, loại cửa van và nhiệm vụ của cửa van ( chính hoặc sửa chữa). Tuỳ theo tỉ số giữa số nhịp của cửa van L và chiều cao của cửa van H mà có thể dung cửa van loại hai dầm chính hoặc nhiều dầm chính. Khi tỉ số L/H ≥1 tốt nhất nên bố trí hai dầm chính, còn khi L/H< 1 thì bố trí nhiều dầm chính. Đối với cửa van ở dưới sâu thì nên dung nhiều dầm chính. b -/ Bố trí dầm chính Ở cửa van dưới sâu, dầm chính được bố trí cách đều nhau. Như vậy các dầm chính sẽ chịu tải trọng khác nhau nhưng chênh nhau không lớn. Do vậy kích thước mặt cắt các dầm chính được chọn như nhau và lấy theo dầm chính chịu tải trọng lớn nhất. Vị trí các dầm chính theo chiều cao có thể xác định theo phương pháp đồ giải, trước hết phân biểu đồ áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên cửa van phẳng thành các diện tích bằng nhau, sau đó bố trí trục dầm chính tại trọng tâm mỗi diện tích đó. Hình 2.3 Bố trí dầm chính bằng phương pháp đồ giải Ở cửa van dưới sâu, biểu đồ áp lực thuỷ tĩnh là hình thang có chiều cao là A’B, trước hết vẽ nữa vòng tròn với đường kính AB =H( như hình 2.3), sau đó lấy A làm tâm vẽ cung tròn A’C1 với bán kính AA’, từ đó tìm được C, chia CB thành n đoạn bằng nhau với n là số dầm chính, các điểm được đánh số là b1, b2… Tại các điểm b1, b2… ta vẽ các đường vuông góc với AB cắt nửa vòng trong tại a1, a2… Lấy A làm tâm vẽ các cung tròn với bán kính là Aa1, Aa2… cắt AB tại A1, A2… Các đường thẳng đi qua A1, A2…và vuông góc với AB sẽ chia biểu đồ áp lực thành các diện tích bằng nhau. để xác định trọng tâm mỗi diện tích này, ta chia cạnh xiên của hình thang thành ba phần bằng nhau. Từ các điểm phân đoạn 1 và 2 trên cạnh xiên này vẽ các đường thẳng đi qua đầu trên và dưới của cạnh thẳng đứng của hình thang chẳng hạn A1, A2. Hai đường thẳng này cắt nhau tại D, đường thẳng đi qua D và vuông góc với AB sẽ xác định vị trí trọng tâm của hình thang theo chiều cao cửa van và đây cũng chính là vị trí đặt dầm chính. Nếu dùng phương pháp giải tích để xác định vị trí của dầm chính theo điều kiện chịu tải trọng bằng nhau ta có thể tính theo công thức: (2.6) Trong đó: yk - là trọng lượng phần động của cửa van phẳng tính cho 1m2 chịu tai. n - số dầm chính. k - số thứ tự của dầm chính tính từ đỉnh van. (2.7) Hn - chiều cao cột nước ứng với mép trên của cửa van. c - nhịp tính toán của dầm chính. Nhịp tính toán của dầm chính được xác định theo công thức: l = lc +2.c (2.8) Trong đó: lc - bề rộng của lỗ cống. c - khoảng từ mép rãnh van tới trung tâm của gối tựa van. Hình 2.4 Khi tính toán sơ bộ có thể lấy như sau: lc(m) H(m) c(mm) 10 6 200-250 20 8 300-400 30-40 12-15 500-800 d -/ Hình thức dầm chính Tuỳ theo nhịp của cửa van và chiều cao cột nước mà dầm chính có thể dùng dầm định hình, dầm ghép hoặc giàn. Khi cửa van có nhịp nhỏ( dưới 5m) có thể dùng dầm định hình vì dầm chịu mômen uốn và lực cắt không lớn. Khi van có nhịp không lớn lắm mà chiều cao cột nước lại khá lớn thì dùng dầm ghép vì khi đó dầm chính chịu lực cắt lớn hơn nhiều so với momen uốn. Đây chính là trường hợp thường xẩy ra ở cửa van dưới sâu. Tải trọng tác dụng lên dầm chính: dầm chịu toàn bộ áp lực thuỷ tĩnh do bản mặt và ô dầm chuyển tới thông qua giàn ngang. Vậy tải trọng tác dụng lên dầm chính gồm lực tập trung do giàn ngang chuyển tới và lực phân bố do bản mặt chuyển tới khi dầm chính trực tiếp đỡ bả._.