Thiết kế kết cấu cửa van cung và thiết bị đóng mở thủy điện lai châu

Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

LỜI NÓI ĐẦU
Thiết bị thủy công là một lĩnh vực không thể thiếu trong ngành Thủy lợi.
Chúng ta biết rằng việc ngăn chặn lũ lụt xảy ra do mưa bão là vô cùng quan trọng
và vấn đề này là không thể thiếu trong những vùng ngập nước, điều đó nói nên rằng
ngành Thiết bị thủy công là một ngành không thể thiếu trong công cuộc xây dựng
phát triển đất nước.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của xã hội, đòi hỏi nhu cầu
năng lượng ngày càng cao, nhất là điện năng. Trong khi những nhiên liệu hóa thạch
như than đá, dầu mỏ… đang ngày càng cạn kiệt thì việc sử dụng các nguồn năng
lượng sạch là một giải pháp rất hữu hiệu, đặc biệt là thủy điện. Ở Việt Nam, chúng
ta đã có những nhà máy thủy điện lớn với công suất cao như nhà máy thủy điện Hòa
Bình, Yali, Thác Bà… Một nhà máy thủy điện bao gồm rất nhiều hệ thống cơ khí
như đập tràn, đường ống áp lực, cầu trục chân đê… Đặc biệt phải kể đến cửa van
vận hành , trong đồ án này em xin trình bày việc “ Thiết kế kết cấu cửa van cung và
thiết bị đóng mở thủy điện Lai Châu”
Trong quá trình thiết kế đồ án được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo
trong khoa đặc biệt thầy giáo T.S Nguyễn Anh Tuấn là người trực tiếp hướng dẫn
em để có thể hoàn thành được đồ án em xin trân thành cảm ơn thầy đã giúp đỡ em.
Do điều kiện về thời gian cũng như kiến thức chuyên môn nên không thể tránh
khỏi những thiếu sót em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ phía các thầy cô
trong khoa và các bạn sinh viên để em có điều kiện hoàn thiện tốt hơn trong công
việc sau này.

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

Lớp:53M-TBTC

Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

MỤC LỤC

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN TRONG THỦY LỢI

1.1.Các loại cửa van và phân loại cửa van
Việt Nam vốn là nước nông nghiệp,có khí hậu nhiệt đới mưa nhiều,với hệ thống
song 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 trên công trình thủy điện Sơn La

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

3

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

Hình 1-2:Cửa van phẳng
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:
1. Công việc chống lụt;
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
4.
5.
6.
7.

8.
9.
10.

khu dân cư hoặc khu vực không có lũ;
Giữ ổn định mực nước trong hồ chứa;
Làm sạch đáy hồ chứa, xả rác trôi nổi trong hồ (thân cây gãy, băng đá);
Điều tiết dòng chảy trong đập;
Bảo dưỡng các thiết bị lắp đặt sau tuabin, phía trước đập tràn;
Đóng kín ống dẫn dòng;
Lấy nước cho tưới tiêu, cung cấp nước;
Đóng mở âu thuyền.

1. 1 .1. Phân loại cửa van.
a) Theo mục đích sử dụng phân thành
Cửa van dùng để điều tiết liên tục dòng chảy và mực nước:
Sinh viên:Trịnh Anh Quân

4

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

- 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.
b) 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.
c) Cửa sửa chữa:
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.
d) Cửa van thi công
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.
a) 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.
b. Cửa quay là cửa khi đóng mở quay quanh một trục cố định gọi là trục bản
lề:
Sinh viên:Trịnh Anh Quân

5

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

- 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.
c. 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.
a. 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.
b. Chảy phía dưới:
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.
a. Cửa van trên mặt:
Cửa lắp trên cống lộ thiên, mực nước thượng lưu thấp hơn đỉnh cửa. Cửa trên mặt
không cần bịt kín cạnh trên đỉnh.

b. Cửa van dưới sâu:
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.

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

6

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

- Bán tự động.
- 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 :

a)

c)

b)

d)

e)

k)

j)

h)

g)

n)
l)

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

m)

p)

7

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

Hình 1 - 3 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.

1.2 . Các bộ phận của cửa van.
a) Phần động : Là bộ phận có thể chuyển động được, hoạt động như một vách ngăn
để điều dòng chảy, bao gồm bản mặt và dầm chịu tải. Tấm thép bưng có nhiệm vụ
trực tiếp ngăn nước gọi là thép bưng hay tôn bưng. Thép bưng liên kết với các dầm
tăng cứng phía sau gọi là bản mặt. Các chi tiết bịt kín nước giữa phần động và phần
tĩnh của cửa van gọi làm gioăng kín nước. Trên phần động của cửa van có các bộ
phận hỗ trợ ( bánh xe, con lăn, gối đệm) gọi là gối tựa động. Ngoài ra còn có bộ
phận dẫn hướng (tấm cữ, bánh xe cữ, lò xo), nhằm mục đích làm cho cửa van
chuyển động đúng hướng định trước, chống dao động và đảm bảo an toàn.
b) Phần tĩnh:
Là các bộ phận gắn liền vào bê tông làm bộ phận dẫn hướng, làm mặt tựa gioăng
kín nước, làm đường ray cho cửa van hoạt động và truyền áp lực nước tác động lên

cửa van vào bê tông. Phần tĩnh cũng có tác dụng bảo vệ các gờ bê tông và hỗ trợ bộ
phận bịt kín. Các chi tiết chính của phần tĩnh: ngưỡng cửa, ray bánh xe hoặc đường
trượt, dẫn hướng cạnh, dẫn hướng đối trọng, dầm đỡ, tựa gioăng và thậm chí cả
đường rãnh.

1.3. Cửa van cung trong công trình thủy lợi.
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 :
Sinh viên:Trịnh Anh Quân

8

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

• Ưu điểm:
- 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.
• Nhược điểm:
- 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 – 6: Công trình thủy điện Shuhe lớn nhất châu

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

9

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

Ngành:kĩ thuật cơ khí

10

Lớp:53M-TBTC

Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐÓNG MỞ
2.1. Đặc điểm và cấu tạo thiết bị đóng mở cửa van
2.1.1. Đặc điểm của thiết bị đóng mở cửa van
- Phải phù hợp với loại kết cấu,quỹ đạo chuyển động,tải trọng nâng hạ,môi trường
khắc nghiệt nắng gió ẩm ướt và các điều kiện cụ thể của từng công trình thủy
lợi,thủy điện.
- Tải trọng tác động lên thiết bị đóng mở cửa van biến thiên rất phức tạp theo độ
đóng mở cửa van,thời gian làm việc ngắn,thời gian nghỉ dài
- Đôi khi lực đóng cửa van còn lớn hơn lực mở cửa van,do vậy có nhiều trường hợp
đòi hỏi phải có lực đóng mở cả 2 chiều
- Không làm việc thường xuyên mà chỉ đóng mở khi cần thiết,điều đó dẫn đến han
gỉ,hoạt động không trơn tru
2.1.2. Cấu tạo chung của thiết bị
Gồm có 4 phần chính:
-

Bộ phận dẫn động:là bộ phận tọa ra năng lượng hay cơ năng ban đầu để cung cấp
cho bộ công tác thực hiện nhiệm vụ đóng mở hay giữa cửa van.Bộ phận này thường

-

là động cơ điện,lực cơ bắp con người,động cơ đốt trong
Bộ phận truyền động:là bộ phận trung gian nhận biến đỏi phân phối và truyền năng
lượng hay cơ năng từ bộ phận đến bộ phận công tác.Các hệ thống truyền động hay

sử dụng trong đóng mở cửa van:truyền động cơ khí,truyền động thủy lực,truyền

-

động điện
Bộ công tác:là bộ phận nhận năng lượng hay cơ năng của bộ phận trước đó truyền

-

cho để thực hiện trực tiếp đóng mở hoặc giữ cửa
Hệ thống điều khiển:là hệ thống nhận tín hiệu,xử lí và điều khiển quá trình hoạt
động của các bộ phận của thiết bị theo yêu cầu đặt ra và đảm bảo an toàn cho quá
trình hoạt động

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

11

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

2.2. Phân loại và ứng dụng
2.2.1. Phân loại
-

-

-

-

Theo nguồn động lực đóng mở cửa van:
+ Đóng mở bằng sức người
+Đóng mở bằng điện
+Đóng mở bằng thủy lực
Theo phương pháp lắp đặt thiết bị
+Loại máy đóng mở cố định
+Loại máy đóng mở di động
Theo phương thức thao tác:
+Điều khiển tại chỗ
+Điều khiển từ xa
Theo kiểu thiết bị
+Thiết bị đóng mở bằng dây mềm
+Thiết bị đóng mở kiểu vít me-đai ốc
+Thiết bị đóng mở kiểu xi lanh thủy lực

2.2.2. Phạm vi ứng dụng
- Thiết bị đóng mở bằng dây mềm:được sử dụng rộng rãi cho nhiều hình thức
cửa van như cửa van phẳng,cửa van cung,cửa van clape,cửa phai…
- Thiết bị đóng mở kiểu vít me- đai ốc:sử dụng cho hình thức cửa van mà khi
làm việc cửa van chuyển động tịnh tiến lên xuống,các loại cửa van nhỏ và trung
bình
- Thiết bị đóng mở xi lanh thủy lực:sử dụng nhiều trên các công trình thủy
lợi,cửa van cung là thông dụng nhất và các loại cửa van phẳng dưới sâu
2.3. Một số thiết bị đóng mở
2.3.1. Thiết bị đóng mở vit me

Đăc điểm:sử dụng nguyên lí đai ốc quay tại chỗ và vít me tịnh tiến kéo theo cửa van
đóng mở.Đai ốc có chức năng giằng,giữa và thường được tựa trên các ổ bi.Thiết bị
này được lắp đặt trong các hộp gang đúc hoặc thép hàn được vít chặt vào sàn vận
hành gọi là hộp chịu lực
Ưu điểm
-

Kết cấu cứng,có khả năng tang lực ấn khi đóng cửa xuống tận ngưỡng
Dễ chế tạo,giá thánh rẻ,bền và dễ thay thế

Nhược điểm
Sinh viên:Trịnh Anh Quân

12

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

-

Hiệu suất rất thấp
Khi vít me đai ốc chế tạo không chính xác,các bước vít không đều,không

-

thẳng gây ra ma sát và lực kẹp lớn

Khi tải trọng lớn,kết cấu của máy năng nề,cống suất động cơ lớn,quay tay rất
nặng và chậm

2.3.2. Thiết bị đóng mở kiểu dây mềm
Đặc điểm thiết bị:dung dây cáp hoặc xích quấn lên tang hoặc ròng rọc xích để đóng
mở cửa van,tang cuốn và nhả cáp bằng động cơ điện hay tya quay được truyền động
qua các cặp bánh rang đến tang cuốn cáp
Ưu điểm:
-

Dễ lắp đặt và điều chỉnh
Có khả năng hạn chế tốc độ nâng,hiệu suất cao
An toàn khi hạ cửa,giá thành rẻ

Nhược điểm:
-

Khó sử dụng trong trường hợp cửa van không tự động đóng bằng trọng lực

-

bản thân
Sơ đồ bố trí hệ thống dây cáp phức tạp,khó bảo dưỡng cáp

2.3.3. Thiết bị đóng mở xi lanh thủy lực
Nguyên lí hoạt động:làm việc trên nghuyên lí thủy lực thể tích.Môi trường truyền
lực là chất lỏng,áp lực chất lỏng được bơm vào xilanh ép lên pit tông chuyển động
qua lại trong xi lanh.Một đầu của pít tông chuyển động liên kết với cửa van,do vậy
cửa van cũng chuyển dộng theo.Trong khi làm việc,xilanh thủy lực thực hiện 2
chuyển động:tịnh tiến và quay.Xi lanh thủy lực cso thể lắp đặt ở mọi tư thế khác

nhau:đẩy,kéo,nâng,hạ.Thiết bị đóng mở cửa van bằng xilanh thủy lực làm việc cả 2
chiều rất linh hoạt
Ưu điểm:
-

có thể đóng mở ở mọi tư thế
Kích thước nhỏ gọn nhưng nâng được lực lớn,lực quán tính nhỏ
Dễ điều khiển,dễ tự động hóa

Nhược điểm:
-

Gía thành thiết bị cao so với thiết bị khác
Đòi hỏi cán bộ vận hành quản lí có trình độ
Đòi hỏi chính xác cao trong chế tạo,lắp ráp

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

13

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp
-

Ngành:kĩ thuật cơ khí

Khó khắc phục khi có rò rỉ

Kết luận:qua tìm hiểu 3 loại thiết bị đóng mở cửa van em thấy thiết bị nâng viet me
không dung được cho cửa van cung,thiết bị nâng dây cáp mềm có thể sử dụng
nhưng cáp mắc phức tạp,cửa van phải tự đóng bằng trọng lượng bản thân…so với
thiết bị đóng mở bằng xi lanh thủy lực thì có nhiều ưu điểm hơn,và có thể tự động
hóa,tốc độ đóng mở thùy theo yêu cầu và có thể kiểm soát khi có sự cố.Do đó em
xin trình bày về loại cửa van cung đóng mở bằng xi lanh thủy lực

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

14

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỬA VAN CUNG
Thiết kế kết cấu cửa van cung và thiết bị đóng mở thủy điện Lai Châu
Máy đóng mở:xi lanh thủy lực
Các thông số cho trước:
-

Chiều rộng thông thủy
Cao trình cột nước thượng lưu
Cao trình mực nước hạ lưu
Cao trình ngưỡng
Bán kính thép bưng

Trọng lượng riêng của nước

:4m
:113,5m
:0m
:108m
:7m
:9,81kg/

Chọn tiêu chuẩn thiết kế 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

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

15

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

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 .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
3.1. 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 dung
thép CT35 hoặc loại tương đương để chế tạo cửa sẽ tiết kiệm được giá thành gia
công
3.1.1. Vật liệu cửa van
Ta chọn vật liệu thiết kế cửa van là thép các bon chất lượng thường có mã
CT35.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
Ứng suất cho phép theo trạng thái giới hạn chảy của vật liệu được xác định bởi

công thức:
Trong đó: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
- 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:
ST
T

Trạng thái ứng suất

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

Vật liệu CT35

16

Kí hiệu

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

1
2
3

Ngành:kĩ thuật cơ khí

Ứng suất pháp khi kéo,nén dọc trục 1200(daN/)
Ứng suất pháp khi uốn
)
Ứng suất khi cắt
)
Bảng 2.1.Cường độ tính toán thiết kế thép chế tạo cửa van

3.1.2.Vật liệu mối hàn
Cường độ tính toán của mối hàn(hàn thép CT35 dùng que hàn E42)
Loại mối hàn
Hàn đối đầu

Cường độ tính toán của đường
Kí hiệu
hàn trong kết cấu bằng thép
CT35(daN/
Nén
1200
Kéo
1200
Uốn
1200
Cắt
900
Bảng 2.2.Cường độ tính toán mối hàn
Trạng thái
ứng suất

3.1.3. 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/
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/ :70
Độ cứng theo Shor không bé hơn
:70
Hệ số lão hóa theo “Gh”sau 144 giờ ở 70
:0,7

3.1.4. Vật liệu bộ phận khác:
- Bu long dung thép 45 hoặc thép CT51,thép không gỉ
3.2. Lựa chọn kết cấu cửa van
3.2.1. Tấm thép bưng
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

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

17

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

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.
3.2.2. 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
3.3. Tải trọng tính toán
- Áp lực thủy tĩnh(lớn nhất)
- Áp lực thủy động
- Trọng lượng bản thân
- Áp lực sóng

- Áp lực gió
- Áp lực chân không và tải trọng va đập của tàu thuyền
- Lực ma sát và lực đẩy Ác-si-met

3.3.1. Trường hợp tính toán ở tổ hợp tải trọng cơ bản

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

18

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

4000

3500

5500

7000

Hình 2.2. Sơ đồ bố trí cửa van
Áp lực thủy tĩnh:

-

Chiều cao cột nước:
H =
Khoảng cách giữa tâm cong và gioăng chắn nước đỉnh:

-

Khoảng cách giữa tâm quay và ngưỡng cửa:

-

Khoảng cách từ mực nước đến tâm quay:

-

Khoảng cách từ ngưỡng tới gioăng chắn nước đỉnh:

-

Do vậy ta có:

-

Cos = 0,958

sin = -0,286

Cos = 0,866

sin = 0,5

Thành phần áp lực nước lên cửa theo phương ngang:
Thành phần áp lực theo phương thẳng đứng:
Thay các thông số, ta được:

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

19

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

Áp lực tổng cộng:
Phương áp lực so với phương ngang:

3.3.2. Tính toán xác định các kích thước của các bộ phận cửa van
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 Lai Châu là cửa van cung trên mặt:
-

Chiều dài khai triển của tấm thép bưng.

Chiều dài nằm trên mặt chiếu là:

Hình 2.3a

-

Chiều dài nằm trên mặt chiếu là:

Hì
nh 2.3b
Ta có: Chiều dài khai triển của tấm thép bưng:
-

Xác định vị trí càng van để có các mô men gối đỡ bằng nhau:

Ta chọn cửa van cung càng hai nhánh liên kết với hai dầm ngang chính.
Sinh viên:Trịnh Anh Quân

20

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

 Xác định được vị trí đặt hai dầm chính ở tại A và D (như hình vẽ)

L3
D

L2
A

L1

Hình 2.4. Sơ đồ tính toán phân bố áp lực
3.3.3. Bố trí dầm ngang và dầm phụ đứng
Ta có:

-

Vị trí càng van để có các mô men gối đỡ bằng nhau:

A
0,8145

D
R1

R2

2,67

2,219

Hình 2.10. Sơ đồ xác định lực mô men
Mô men đứng trong các dầm uốn:
Mô men uốn tựa tại điểm tựa A:

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

21

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

Mô men uốn tựa tại điểm tựa D:
Mô men uốn tai điểm B bất kì gối đỡ A-D:
Thay số vào ta được:
=1,6
Tìm momen uốn lớn nhất và vị trí của nó theo MB’,cho phương trình trên bằng
không ta có:
Suy ra:
MB’= 1,6.(kNm/m)
Từ mô men uốn đã được tính cho một đơn vị chiều rộng cửa , nhân kết quả này với
một nửa nhịp, để có được mô men trong mỗi dầm.

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. Trong kết cấu cửa van ta phải
lựa chọn cách bố trí dầm phụ đứng sao cho hợp lý và theo điều kiện thực tế thì ta bố
trí dầm phụ đứng có kết cấu đối xứng. Để có kết cấu dầm đối xứng thì số dầm ta
chọn phải lẻ, vậy ta chọn 5 dầm đứng kể cả hai dầm biên.
Khoảng cách của các dầm theo phương thẳng đứng được trải thẳng đặt như
bảng sau:

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

22

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp
910

910

910

910

180

1145

180

Ngành:kĩ thuật cơ khí

1074

1

2

936

987

3

747

4

649

5
6
7

165,5

3.4. 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.

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

23

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

b

P

a

-

Chiều dày bản mặt được tính theo công thức sau:
Trong đó:

-

là chiều dày bản mặt (mm)

-

là chiều dài biên ngắn (

-

là chiều dài biên dài (

-

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. Ta có hệ số uốn cong

Ta có:
-

là cường độ áp lực tĩnh ở trung tâm của ô dầm tính toán (
-

là hệ số điều chỉnh đàn hồi:

cường độ chịu uốn cho phép của vật liệu:
Thay số vào công thức tính chiều dày ô bản mặt I ta được:
-

Vậy chiều dày bản mặt tính cho ô dầm 1 là 2,92 mm
-

ST

Tính tương tự cho các ô dầm tiếp theo ta được bảng sau:
m

Sinh viên:Trịnh Anh Quân

α
24

δ

Lớp:53M-TBTC


Đồ án tốt nghiệp

Ngành:kĩ thuật cơ khí

m

T
m

m

1

1.
120

910

1145

1,26

0.44

573

0.0055

5
1.

2,92

120

910

1074

1,18

0.35

1620

0.016

5
1.

4,43

120

910

987

1,08

0.32

2610

0.026

5
1.

5,4

120

910

936

1,03

0.31

3550
4373,

0.035

5
1.

6,2

120

747

910

1,22

0.36

5
5048,

0.043

5
1.

6,05

120

469

165,

910

1,4

0.4

5

0.049

5
1.

6,17

120

5

919

5,5

0.5

5425

0.053

4

1,82

2
3
4
5
6
7

Bảng 2.3. Chiều dày bản mặt
-

Ta thấy chiều dày bản mặt của ô dầm lớn nhất là 6,17 mm.
Tuy nhiên theo điều kiện thực tế thì chiều dày tối thiểu cho bản mặt của cửa

van cung cũng như một số loại cửa van khác là khoảng 6 mm nên để đảm bảo
điều kiện làm việc thì ta chọn chiều dày bản mặt là 8 mm.
3.5. Tính toán dầm chính
3.5.1.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=1,09m.

Ta có cửa van sử dụng hai dầm chính và có gối tựa là hai nhánh càng van
Sinh viên:Trịnh Anh Quân

25

Lớp:53M-TBTC