Zalo QR
Zalo QR
Cửa lấy nước là công trình đầu tiên trong hệ thống công trình dẫn nước vào nhà máy thuỷ điện, nó trực tiếp lấy nước từ hồ chứa, từ dòng sông vào các công trình dẫn nước hoặc vào nhà máy thuỷ điện.
Hình dạng và kết cấu cửa lấy nước phụ thuộc vào sơ đồ và thành phần các công trình đầu mối, điều kiện địa hình địa chất của khu vực xây dựng công trình.
Theo trạng thái của dòng chảy trong cửa lấy nước, chúng được phân thành hai loại cơ bản: có áp và không áp.
ở cửa lấy nước có áp dòng chảy trong nó không có mặt thoáng tự do (hình 1.1a). Phạm vi sử dụng của chúng không hạn chế, đặc biệt chúng được ứng dụng trong trường hợp mực nước thượng lưu thay đổi nhiều. Thành phần cấu tạo của cửa lấy nước có áp bao gồm: tường ngực, lưới chắn rác, các cửa van cùng thiết bị đóng mở, thiết bị vớt và chuyên chở rác, ống thông khí và ống cân bằng áp lực nước khi mở cửa van.
Cửa lấy nước không áp (hình 1.1b) được ứng dụng trong trường hợp mực nước thượng lưu ít thay đổi. Dòng chảy trong chúng là không áp. Chúng thường được dùng ở các trạm thuỷ điện đường dẫn với các công trình đầu mối cột nước thấp. Thành phấn cấu tạo của cửa lấy nước không áp bao gồm: lưới chắn rác, thiết bị vớt và chuyên chở rác, các cửa van cùng các thiết bị đóng mở.
Ngoài cách phân loại trên người ta còn phân loại theo vị trí tương đối, đặc điểm kết cấu và hình thức lấy nước: cửa lấy nước kiểu đập, kiểu bên bờ, kiểu tháp, cửa lấy nước mặt và cửa lấy nước dưới sâu.v.v...
Cửa lấy nước phải đảm bảo yêu cầu sau:
- Cung cấp đủ lưu lượng cần thiết theo yêu cầu cần thiết của trạm thuỷ điện và các nhu cầu dùng nước khác.
- Có khả năng ngừng cung cấp nước hoàn toàn trong các trường hợp kiểm tra, sửa chữa và sự cố đối với các công trình dẫn nước. Để đảm bảo điều kiện này đòi hỏi phải bố trí các cửa van sửa chữa và van sửa chữa sự cố.
- Bảo vệ các bộ phận và thiết bị của các công trình dẫn nước khỏi bị hư hại do bùn cát, vật nổi và rác bẩn gây nên. Muốn vậy phải bố trí lưới chắn rác, tường ngực để chắn vật nổi, đường xả cát, bể lắng cát.v.v..
- Miệng cửa lấy nước phải có hình dạng và vị trí của nó sao cho nước chảy vào thuận dòng, tổn thất thuỷ lực nhỏ nhất và không gây nên phễu xoáy trước cửa lấy nước.
- Đảm bảo điều kiện ổn định, độ bền và vận hành tiện lợi với chi phí vận hành ít nhất.
Để đảm bảo các điều kiện trên, trên mặt bằng dòng chảy phải đi thẳng vào cửa lấy nước và nếu dòng chảy xiên góc phải làm các tường hướng dòng. Miệng cửa lấy nước phải ngập dưới mực nước thấp nhất với mức tối thiểu để đảm bảo không khí không qua lỗ cửa lấy nước vào đường ống dẫn nước áp lực trong mọi chế độ vận hành của TTĐ.
ở TTĐ kiểu ngang đập, bản thân cửa lấy nước dóng vai trò thành phần của công trình dâng nước vì vậy yêu cầu cửa lấy nước phải đảm bảo khả năng ổn định của toàn bộ công trình cùng với nhà máy TĐ. Trong trường hợp này cần thiết phải liên kết cửa lấy nước và nhà máy để chúng cùng đồng thời tham gia chụi áp lực nước từ phía thượng lưu.
Khi thiết kế cửa lấy nước cần phải lưu ý tới khả năng tự động hoá cao nhất. Việc đóng mở cửa van phải cố gắng tới mức tối đa khả năng điều khiển từ xa kết hợp với điều khiển tại chỗ.
Hình 1-1. Các loại cửa lấy nước: a- cửa lấy nước có áp; b- cửa lấy nước không áp: 1- lưới chắn rác ; 2- tường chắn vật nổi; 3- khe van sửa chữa; 4- khe van sửa chữa-sự cố; 5- tường giữa; 6- máy đóng mở cửa van; 7- ống thông khí; 8- ống cân bằng áp lực; 9-Cầu trục; 10. đường xả cát.
Cửa lấy nước thường được bố trí các thiết bị sau :
- Lưới chắn rác
- Van sửa chữa
Hình 1-2. Cửa lấy nước trong thân đập trọng lực :
a- lưới chắn rác kiểu phẳng; b- lưới chắn rác bố trí hình vòng cung trên hình chiếu bằng. 1- tường chắn vật nổi; 2- cửa van sửa chữa; 3- van sự cố- sửa chữa ( van công tác); 4- lưới chắn rác; 5- ống thông khí; 6- ống cân bằng áp lực; 7- cầu trục; 8- cầu thang xuống giếng van công tác; 10- trục nâng van sửa chữa, 11- trục nâng lưới chắn rác; 12- lưới đậy lưới chắn rác; 13- tường trung gian; 14- nắp đậy bằng tấm kim loại các khe van; 15- cầu giao thông; 16- cạp vớt rác.
- Van sự cố-sửa chữa (van công tác)
- Thiết bị nâng chuyển.
- Ống dẫn khí.
- Ống cân bằng áp lực.
Trên hình 1-2 là ví dụ về các bộ phận chủ yếu của một cửa lấy nước có áp
Để bảo vệ hệ thống đường dẫn, các thiết bị thuỷ lực nhà máy thuỷ điện và các cửa van của bản thân cửa lấy nước khỏi bị hư hại do tác động của rác bẩn hoặc do vật nổi, đòi hỏi phải bố trí lưới chắn rác và bộ phận chắn các vật nổi.
Yêu cầu của lưới chắn rác phải đảm bảo thuận dòng không gây tổn thất thuỷ lực lớn, vững chắc và thuận lợi khi lắp đặt tháo dỡ và dọn rác bẩn.
Lưới chắn rác thường đặt trước van sửa chữa và sự cố-sửa chữa (còn gọi là van công tác) để bảo vệ chúng khỏi rác bẩn làm ảnh hưởng tới quá trình làm việc. ở nơi có ít rác bẩn khi có luận chứng cụ thể thì có thể lắp đặt lưới chắin rác nằm g ữa hai van sửa chữa và van công tác, trường hợp này ít phổ biến. Để giảm kích thước cửa lấy nước và khẩu độ cầu trục phục vụ nó, trong nhiều trường hợp người ta kết hợp khe lưới chắn rác và khe van sửa chữa làm một. Trong trường hợp này sẽ gây khó khăn trong vận hành vì muốn đóng van sửa chữa phải nâng lưới chắn rác, khi đó rác bẩn và vật nổi có thể xâm nhập vào khu vực van công tác. Để khắc phục điều này yêu cầu cần phải có tường chắn vật nổi.
Về nguyên lý chung các lưới chắn rác được thiết kế riêng cho từng cửa lấy nước do có sự khác biệt trong điều kiện vận hành: hướng và độ lớn của vận tốc dòng chảy, độ ngập sâu, mức độ bẩn của dòng chảy, và các biện pháp dọn các rác bẩn cũng như nhiều yếu tố khác. Nhưng trong thực tế sơ đồ cấu tạo các lưới chắn rác là như nhau mặc dù điều kiện làm việc của chúng không giống nhau. Lưới chắn rác có thể chia ra làm hai loại : lưới chắn rác cho các cửa lấy nước có độ ngập sâu nhỏ và lưới chắn rác cho các cửa lấy nước có độ ngập sâu lớn. Khi tính toán cho lưới chắn rác bố trí ở cửa lấy nước có độ sâu của ngưỡng dưới MNDBT không quá 20 m, các bộ phận của chúng được thiết kế với khả năng chịu áp lực nước với độ chênh mực nước trước và sau lưới chắn rác là 2.0m, khi độ ngập sau lớn hơn 20m - độ chênh này lấy bằng 3.0m.
Lưới chắn rác bao gồm những thanh kim loại có tiết diện hình tròn, hình chữ nhật hoặc có tiết diện hình lưu tuyến được đặt theo phương thẳng đứng trên hệ thống khung dầm đặt tựa vào trụ pin hoặc trong các khe nằm trong trụ pin. Trên hình 1-3 là ví dụ về kết cấu lưới chắn rác .
Khoảng cách (a - khoảng trống) giữa các thanh phụ thuộc vào kích thước và loại turbin, vào số lượng và loại rác bẩn trong dòng chảy. Việc lựa chọn kích thước này phải thông qua tính toán sao cho những vật trôi qua không làm hư hại các bộ phận turbin. Khi thiết kế sơ bộ khoảng cách các thanh có thể lấy như sau:
- Đối với turbin cánh quay,cánh quạt: a = 1/20 D1 (a = 5¸20cm)
- Đối với turbin tâm trục : a = 1/30 D1 (a=3¸10cm )
- Đối với turbin gáo: a = 2¸7cm
ở những cửa lấy nước có kích thước lớn, lưới chắn rác được chia thành nhiều tầng đặt chồng lên nhau trong các khe thẳng đứng.
Kích trước của lưới chắn rác có ảnh hưởng tới kích thước toàn bộ cửa lấy nước, nó phụ thuộc vào số lượng, loại rác bẩn, phương thức cào dọn rác trên lưới và tổn thất thuỷ lực trên lưới chắn rác. Khi dòng chảy nhiều rác bẩn, ngưỡng cửa lấy nước đặt dưới mực nước dâng bình thường (MNDBT) không sâu lắm (<20¸25m) và việc dọn rác được tiến hành bằng máy thì vận tốc trên lưới chắn rác thường được chọn v = 1 ¸ 1,2 m/s. Trong trường hợp ngưỡng cửa lấy nước đặt quá sâu so với MNDBT (>20¸25m) việc dọn rác bẩn không thể tiến hành được thì vận tốc trên lưới chắn rác thường chọn v = 0,25 ¸ 0,5 m/s và lưới chắn rác được đặt cố định.
Hình 1-3. Kết cấu lưới chắn rác phẳng: 1- thanh lưới đứng; 2- dầm ngang; 3- dầm dọc; 4- giằng chéo; 5- thanh ngang lưới chắn rác; 6- dầm biên; 7- khớp nối các tầng lưới.
Khi dòng chảy ít rác bẩn thì vận tốc trên lưới có thể lấy lớn hơn nhưng không quá 2 m/s và khi đó việc dọn rác có thể phải giảm công suất của tổ máy thuỷ điện hoặc ngừng hẳn. Việc làm này sẽ dẫn tới làm tăng tổn thất năng lượng phát điện trong mùa lũ.
Việc dọn rác bẩn trên lưới chắn rác nhờ các thiết bị chuyên dụng, phụ thuộc vào đặc điểm các loại rác bẩn, vị trí lưới chắn rác mà có thể bố trí các thiết bị cào vớt rác khác nhau. Các thiết bị này thường được bố trí trên cầu trục sử dụng chung cho toàn bộ cửa lấy nước, trong một số trường hợp chúng được đặt trên xe lăn hoặc xe chuyên dụng.
Hình 1-4. là một số thiết bị dọn rác : Thiết bị cào rác (b) được dùng để cào rác kích thước nhỏ như rong trêu, cỏ, lá. Nó có một hàng răng có khả năng đàn hồi và có khả năng cào rác bám trong các khe giữa các thanh lưới. Gầu xúc (c) xúc và cào rác
Hình 1-4. Các thiết bị dọn rác bằng máy. a- máy dọn rác với thiết bị cào rác; b- thiết bị cào rác; c- gầu xúc rác; d- cạp; e- cạp kiểu hàm răng; f- ủi dọn rác; g- cạp polip: 1- hàm trên; 2- hàm dưới; 3- lưỡi dao.
vào trong gầu nhờ vào trọng lượng bản thân gầu và áp lực nước. Cạp (d) dùng vớt các vật nổi kích thước lớn trong khoảng không trước lưới chắn rác. Cạp kiểu hàm răng (e) dùng để cắt rác bẩn bám trên mặt lưới, khi chuyển động về phía dưới (trên xuống) lưỡi dao1 sẽ gạt lớp rác bẩn trên lưới dồn vào phía trong cạp, cạp móc 2 khép lại và nhấc chúng lên nhờ cầu trục. Cạp polip ( g) dùng để vớt rác và vật nổi các loại từ nhỏ đến lớn nằm trước lưới nhờ vào việc đầu cạp có bố trí thêm các tấm thép, chúng có thể khép kín để đựng các rác nhỏ. Thiết bị ủi rác dùng để làm sạch rác trên lưới nhờ lưỡi dao 1 và các hàng răng lược 2 sẽ đánh sạch các rác bẩn bám vào thanh lưới, làm nát chúng và theo dòng nước chúng sẽ trôi qua lưới chắn rác.
Kinh nghiệm vận hành ở các trạm thuỷ điện với dòng chảy có nhiều rác bẩn cho thấy cần phải đồng thời sử dụng một số loại thiết bị dọn rác thì mới có thể đảm bảo làm sạch lưới chắn rác.
Cửa lấy nước của các trạm thuỷ điện thường được bố trí hai cửa van: van công tác, (van sự cố -sửa chữa) và van sửa chữa.
Van sự cố-sửa chữa dùng để đóng không cho nước chảy vào đường dẫn trong các trường hợp sự cố đối với đường dẫn hoặc với tổ máy cũng như khi sửa chữa chúng.
Van sửa chữa dùng trong trường hợp sửa chữa , kiểm tra định kỳ các thiết bị thuỷ điện (đường ống, tổ máy thuỷ điện và cả van công tác), nó được đặt trước van công tác.
ở các trạm thuỷ điện đường dẫn không áp không tự điều tiết, cửa van công tác còn được gọi là cửa van chính ngoài các nhiệm vụ kể trên còn làm nhiệm vụ điều tiết lưu lượng vào trạm thuỷ điện.
Van công tác được đóng xuống dòng nước đang chảy với vận tốc lớn nên đòi hỏi phải đủ sức nặng, lực đóng mở phải lớn và phải luôn luôn ở vị trí sẵn sàng làm việc. Nếu đường ống dẫn nước áp lực để hở trên mặt đất hoặc để hở ở mặt ngoài đập bê tông trọng lực không có lớp bê tông cốt thép bảo vệ thì van công tác nhất thiết phải là van đóng nhanh, thời gian đóng từ 2-3 phút. Hệ thống đóng mở cửa van trong trường hợp này thường bằng hệ thống cơ khí thuỷ lực điều khiển tự động tại chỗ và từ xa. Trong trường hợp đường ống dẫn nước áp lực đặt trong đập bê tông trọng lực hoặc là đường hầm có áp thì van công tác không đòi hỏi là van đóng nhanh. Van sự cố-sửa chữa có thể là van phẳng, van cung, van đĩa, van cầu. ở các trạm thủy điện ngang đập và sau đập thường sử dụng van phẳng , đôi khi van cung cũng được dùng ở trạm thuỷ điện có cửa lấy nước kiểu bên bờ.
Cửa van phẳng có kết cấu gồm 4 bộ phận chủ yếu : Bản mặt với hệ thống khung dầm đỡ nó, bộ phận làm kín nước, bộ phận tựa đỡ van khi di chuyển và bộ phận nâng cửa van. Bộ phận làm kín nước thường sử dụng gioăng cao su hoạt động trên nguyên lý biến dạng dưới tác động của áp lực nước. Bộ phận đỡ van khi di chuyển trong khe van thường sử dụng bàn trượt, con lăn hoặc bánh xe lăn.
Hình 1-5. Cửa van sự cố - sửa chữa TTĐ Bratskaia (LB Nga) : 1- ống cân bằng áp lực; 2- cao su củ tỏi; 3- hai lớp vải đệm; 4- thép không rỉ; 5- rãnh trượt.
Trên hình 1-5 là ví dụ về kết cấu cửa van sự cố- sửa chữa kiểu van phẳng của cửa lấy nước trạm thuỷ điện Bratskaia (LB Nga). Cửa van có kích thước 7x11m (H=42 m), làm kín nước bằng gioăng cao su củ tỏi. Bộ phận tựa di chuyển của nó là bàn trượt bằng thép không rỉ. Hệ thống đóng mở độc lập bằng thuỷ lực với sức nâng 2500 KN (trong lượng cửa van 75.6 T). Cửa van được tính toán với sức nâng khi chênh lệch mực nước trước và sau nó không quá 6m.
Van sửa chữa đóng xuống dòng nước đứng yên nên không đòi hỏi lực đóng mở lớn và không yêu cầu phải đóng thật nhanh. Van sửa chữa thường là van phẳng một tầng hoặc nhiều tầng tuỳ thuộc vào chiều cao cửa lấy nước. Khi chiều cao cửa lấy nước lơn hơn 14m người ta thường làm cửa van dưới dạng nhiều tầng. Trong trường hợp cột nước tương đối thấp cửa van sửa chữa có thể làm dưới dạng các phai độc lập. Tuỳ thuộc vào số tổ máy nhiều hay ít mà có thể bố trí 1 đến 3 bộ cửa van sửa chữa chung cho toàn bộ nhà máy thuỷ điện. Để đóng mở chúng sử dụng cầu trục chung của cửa lấy nước.
Để phục vụ cho viếc đóng mở, tháo lắp các cửa van và lưới chắn rác cũng như việc vớt rác bẩn trên lưới chắn rác, cửa lấy nước cần được trang bị các thiết bị nâng chuyển.
Khi chỉ có một hoặc hai cửa lấy nước thì nên sử dụng các thiết bị nâng độc lập đặt cố định cho từng cửa riêng biệt. Chúng có thể là ròng rọc, cầu trục hoặc thiết bị đóng mở độc lập bằng thuỷ lực v.v...
Khi số cửa lấy nước nhiều thì tốt hơn hết là bố trí cầu trục di động hoặc cần trục kiểu chân dê (hình 1-6) phục vụ chung cho toàn bộ các cửa lấy nước của trạm thuỷ điện. Cũng có thể bố trí một cầu trục phục vụ cho các lưới chắn rác và van sửa chữa và một chiếc khác phục vụ cho các van sự cố - sửa chữa.
Đối với các van đóng nhanh (sự cố- sửa chữa) ngoài cầu trục phục vụ chung cần trang bị máy đóng mở riêng biệt cho từng cửa van với hệ thống điều khiển tự động có thể điều khiển từ xa và tại chỗ. Các máy này chỉ phục vụ cho việc đóng mở cửa van khi vận hành, còn khi tháo lắp phải sử dụng cần trục chung.
ở các trạm thuỷ điện với tổ máy có kích thước lớn hoặc khi có đòi hỏi phải đồng thời đóng một số cửa van thì van sự cố - sửa chữa được trang bị máy đóng mở riêng. Các hệ thống đóng mở cố định dùng cho các cửa van của trạm thuỷ điện thường sử dụng các loại tời điện hoặc máy nâng thuỷ lực, tốc độ nâng và hạ của chúng thường từ 0.2 ¸2 m/s. Trong trường hợp dùng cho van đóng nhanh tốc độ có thể đạt 8¸10 m/s.
Máy nâng thuỷ lực được dùng rộng rãi cho các cửa van đóng nhanh ở cửa lấy nước trạm thuỷ điện. Nó có cấu tạo gồm thùng dầu áp lực, máy tiếp lực , các bộ phận điều khiển (Hình 1-7). Dầu áp lực từ thùng dầu áp lực có thể cung cấp độc lập cho từng máy tiếp lực và cũng có thể cấp theo nhóm với áp suất dầu thường dưới 40 at. Sức nâng của một máy có thể đạt 900T. Sức nâng của thiết bị nâng chuyển phụ thuộc vào trọng lượng cửa van, áp lực nước lựa chọn trên cơ sở tính toán. Số lượng và loaị thiết bị nâng cần chọn trên cơ sở so sánh kinh tế- kĩ thuật đảm bảo làm việc an toàn của cửa lấy nước và hiệu quả của việc vớt rác bẩn trên lưới chắn rác.
Hình 1-6. Cầu trục chân dê sức nâng 2x125+16+10T. 1- kết cấu khung cầu trục; 2- xe lăn chính sức nâng 2x125 T; 3- xe lăn 16T; 4- pa lăng 20T; 5- cơ cấu di chuyển cầu trục; 6- móc chống trượt; 7- đối trọng; 8- dầm gánh 250T; 9- móc 250T; 10- cầu trục lắp ráp T; 11- cabin; 12- bộ phận đo áp lực gió.
Hình 1-7. Máy nâng cửa van sự cố -sửa chữa. a- sơ đồ hoạt động b- máy tiếp lực : 1- xi lanh máy tiếp lực; 2 & 3- gối tựa; 4- van điều phối vi sai; 5- đồng hồ đo áp; 6- nam châm ; 7-van điều phối; 8- van khởi động; 9- van an toàn; 10- van ngược; 11- máy bơm dầu; 12- động cơ điện máy bơm; 13- rơ le mức dầu; 14- bể chứa dầu; 15- lọc dầu; 16- van ; 17- cửa van; 18- cần pit tông; 19- trục kéo; 20- nắp trên xi lanh; 21- gioăng chèn; 22- kết cấu giảm vận tốc khi cửa van đến ngưỡng; 23- khớp nối trục; 24- vòng tự điều chỉnh khe hở; 25- ốc điều chỉnh khe hở; 26- phần dưới xi lanh; 27- nắp xi lanh.
Cửa lấy nước có áp được chia làm 3 loại: cửa lấy nước kiểu đập, cửa lấy nước kiểu bên bờ, cửa lấy nước kiểu tháp.
Hình 1-8. Nhà máy thuỷ điện ngang đập với turbin trục đứng: 1- cầu giao thông; 2- tường chắn vật nổi; 3- khe bố trí cạp vớt rác; 4- lưới chắn rác; 5- ống cân bằng áp lực; 6- ống thông khí; 7-van sự cố sửa chữa; 8- tời cửa van công tác; 9-cầu trục cửa lấy nước; 10- cầu trục gian máy; 11- tường chịu áp lực
Cửa lấy nước kiểu đập được bố trí trong thân đập bê tông hoặc tiếp giáp với đập ở mặt thượng lưu. Chúng được ứng dụng ở các trạm thuỷ điện ngang đập, sau đập và đường dẫn khi công trình đầu mối là đập bê tông hoặc bê tông cốt thép. Chúng được ứng dụng cơ bản trong các sơ đồ khai thác kiểu đập và đôi khi ở sơ đồ kết hợp đập và đường dẫn. ở các TTĐ sau đập bê tông, sử dụng cửa lấy nước kiểu này cho phép rút ngắn chiều dài đường ống dẫn nước turbin, bố trí công trình đầu mối đơn giản và do đó giảm được giá thành công trình. ở các trạm thuỷ điện với sơ đồ kết hợp đập và đường dẫn, nó chỉ được ứng dụng khi không thể sử dụng các loại khác do điều kiện địa hình, địa chất hoặc do điều kiện kinh tế.
1. Cửa lấy nước của nhà máy thuỷ điện ngang đập (kiểu lòng sông)
Cửa lấy nước là một phần của nhà máy, nó cùng với nhà máy chịu áp lực nước từ phía thượng lưu . Cửa lấy nước có chung tấm đáy với nhà máy thuỷ điện (hình 1.8). Các trụ pin được đặt trên tấm đáy và phía trên chúng nối với nhau bởi tường chắn vật nổi, tường ngực và tường giữa. Trụ pin chính phân cách buồng xoắn, ốcng hút của khối tổ máy với tổ máy bên cạnh. Chiều dày trụ pin chính thường từ 1,5- 2,5 m, khi trong đó có bố trí khe chống lún thì chiều dày có thể từ 3-6 m. Trong trường hợp khoảng cách gữa các trụ pin chính lớn (>10-12m), để giảm trọng lượng và kết cấu cửa van người ta làm thêm các trụ pin trung gian, các trụ pin này kéo dài tới buỗng xoắn của turbin. Chiều dày trụ bin trung gian thường từ 1-1,5m.
Kích thước tiết diện cửa vào của cửa lấy nước được xác định trên cơ sở tính toán tổn thất thuỷ lực khi qua lưới chắn rác và có xét tới ảnh hưởng của rác bẩn bám vào nó. Chiều rộng cửa lấy nước trên mặt bằng thường lấy bằng chiều rộng của khối tổ máy và do kích thước buồng xoắn quyết định. Chiều cao tiết diện cửa vào của cửa lấy nước phải đảm bảo sao cho vận tốc dòng chảy trên lưới chắn rác khi tháo qua turbin lưu lượng tính toán không vượt quá 1,2-1,6 m/s (thông thường lấy 1,0-1,2 m/s). Để đảm bảo điều kiện này trong nhiều trường hợp cửa lấy nước được phát triển theo hướng đứng. Chiều dài cửa lấy nước theo phương dòng chảy phụ thuộc vào số lượng các khe van và lưới chắn rác, điều kiện bố trí, lắp ráp sửa chữa các thiết bị và điều kiện vận hành thiết bị đóng mở và thiết bị nâng chuyển của cửa lấy nước.
Phần trên cửa lấy nước thường được bố trí tường chắn vật nổi để bảo vệ các khe van và lưới chắn rác không bị các vật nổi va đập và phá huỷ. Ngoài ra tường chắn này còn đảm bảo cho điều kiện nước chảy vào buồng xoắn được thuận dòng. Mép dưới của tường chắn ngập sâu dưới mực nước thấp nhất tối thiểu 0,5-1,5 m (phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy) để đảm bảo vật nổi không chui qua và không tạo phễu xoáy trước cửa lấy nước.
Cửa lấy nước của trạm thuỷ điện ngang đập được trang bị cửa van sự cố - sửa chữa, van sửa chữa, lưới chắn rác, thiết bị nâng chuyển và vớt rác, ống cân bằng áp lực, ống thông khí...
Trong trường hợp dòng chảy ít rác bẩn và vật nổi thì có thể bố trí các cửa van và lưới chắn rác theo chiều dòng chảy lần lượt là van sửa chữa, lưới chắn rác ,van sự cố - sửa chữa. Trong trường hợp này khe van sửa chữa có thể kết hợp làm khe bố trí thiết bị vớt rác trước lưới chắn rác. Trong nhiều trường hợp khe van sửa chữa được kết hợp với khe đặt lưới chắn rác với mục đích kinh tế, song sẽ phức tạp và khó khăn trong vận hành do phải nâng lưới chắn rác trước khi hạ van sửa chữa.
Đối với dòng chảy có nhiều vật nổi thì lưới chắn rác thường được bố trí trước van sửa chữa để các vật nổi không lấp kín các khe van.
Khe đặt lưới chắn rác có thể bố trí theo phương thẳng đứng hoặc nghiêng tuỳ thuộc vào phương thức dọn rác và sơ đồ bố trí cầu trục. Nếu vớt dọn rác bằng các thiết bị kiểu cạp thì phai lưới chắn rác bố trí thẳng đứng và khi đó sẽ giảm được kích thước cửa lấy nước cũng như khẩu độ cầu trục. Nếu sử dụng các loại máy dọn rác lợi dụng trọng lượng của thiết bị để bám mặt lưới thì lưới chắn rác đặt nghiêng 60 ¸65o so với phương ngang, trường hợp này tuy kích thước cửa lấy nước tăng nhưng giảm được tổn thất thuỷ lực qua lưới.
Van sửa chữa cho phép đóng kín cửa lấy nước của một tổ máy, tháo cạn buồng xoắn để tiến hành kiểm tra, sửa chữa các khe van công tác và các công việc khác. Van sửa chữa thường là van phẳng hoặc bằng các tấm bê tông cốt thép gọi là phai. Mỗi bộ cửa van dùng cho một số nhất định cửa lấy nước (3¸4 cửa). Chúng được đóng xuống và nâng lên ở trạng thái nước cân bằng từ hai phía khi mà tổ máy đã ngừng làm việc. Các bộ cửa van hoặc phai được cất giữ trong kho riêng nằm trong tầm hoạt động cửa cầu trục.
Van sự cố-sửa chữa cần phải đảm bảo đóng kín không cho nước chảy vào turbin ở các trạng thái khác nhau của dòng chảy trong quả trình vận hành,tức là nó làm việc khi dòng chảy ở các chế độ tương ứng với chế độ làm việc của tổ máy khi có sự cố. Phía sau van sự cố thường bố trí ống thông khí nhằm giảm bớt chân không trong đường ống hoặc trong buồng xoắn khi tháo nước ra khỏi chúng. Thời gian đóng van sự cố -sửa chữa có thể từ 2¸3 phút đến 20¸30 phút phụ thuộc vào khả năng chống lồng tốc của thiết bị động lực của tổ máy. Việc mở van sự cố-sửa chữa được tiến hành trong điều kiện nước đứng yên và ở trạng thái cân bằng từ hai phía nhờ ống cân bằng áp lực đặt trong trụ pin.
Tường bê tông cốt thép giữa cửa lấy nước và gian máy phải đảm bảo các điều kiện về khả năng chống thấm và độ bền.
Trên hình 1-9. thể hiện một số sơ đồ bố trí cửa lấy nước của trạm thuỷ điện ngang đập:
Sơ đồ I : cửa lấy nước nhà máy thuỷ điện không kết hợp có tường chắn vật nổi bảo vệ các cửa van và lưới chắn rác, lưới chắn rác được đặt trong khe van sửa chữa.
Sơ đồ II : Cửa lấy nước không có tường chắn vật nổi, giảm được kích thước cửa lấy nước. Thí nghiệm mô hình cho thấy tuy dòng chảy vào không thuận nhưng tổn thất thuỷ lực không lớn do đường dòng ngắn nên giảm tổn thất do ma sát. Cửa lấy nước loại này thường ứng dụng nơi dòng chảy không có các vật nổi nguy hiểm.
Sơ đồ III : Cửa lấy nước có thiết bị dọn rác và cầu trục bố trí trong nhà, chúng được sử dụng trong trường hợp điều kiện khí hậu quá khắc nghiệt như ở châu âu.
Sơ đồ IV& V : Cửa lấy nước với công trình chắn rác đặt xa turbin một khoảng cách nhất định tạo điều kiện để trong quá trình dọn rác tổ máy thuỷ điện không bị ảnh hưởng nhiều do có thể lấy nước từ các khoang bên cạnh. Việc sửa chữa lưới chắn rác được thực hiện khi đóng van sửa chữa.
Sơ đồ VI & VII : Cửa lấy nước của trạm thuỷ điện với turbin chảy thẳng kiểu capxun, phụ thuộc vào vị trí của capxun mà lưới chắn rác có thể bố trí thẳng đứng hoặc nghiêng.
Hình 1-9. Sơ đồ bố trí của lấy nước TTĐ ngang đập: 1- Tường chắn vật nổi; 2- ống thông khí; 3- khe lưới chắn rác thô; 4- khe lưới chắn rác nhỏ; 5- trục tổ máy; 6- khe phai sửa chữa; 7- tràn xả lũ.
2. Cửa lấy nước của trạm thuỷ điện sau đập
Trong thường hợp nhà máy thuỷ điện đặt trực tiếp ngay sau đập bê tông thì cửa lấy nước được bố trí trong thân đập bê tông hoặc tiếp giáp với mặt thượng lưu của đập. ở TTĐ cột nước không cao lắm, đường ống dẫn nước áp lực ngắn thì độ ngập sâu của cửa lấy nước càng nhỏ càng có lợi về mặt kinh tế do giảm được kết cấu của các cửa van. Trong các trường hợp này miệng cửa lấy nước được bố trí thấp hơn mực nước tối thiểu 0,5-1m. Trong nhiều trường hợp với mục đích sớm đưa vào vận hành các tổ máy đầu tiên của trạm thuỷ điện, miệng cửa lấy nước được bố trí ở cao trình thấp hơn mức nêu trên. Đối với trạm thuỷ điện cột nước cao vị trí miệng cửa lấy nước đặt thấp sẽ cho phép giảm được chiều dài đường ống áp lực.
Trong mọi trường hợp cửa lấy nước của trạm thuỷ điện sau đập được bố trí lưới chắn rác, van sửa chữa và van công tác ... Nếu cửa lấy nước đặt dưới sâu không đòi hỏi phải vớt rác thường xuyên thì cửa lấy nước được thiết kế với vận tốc dòng chảy trên lưới không quá 0,5¸0,6 m/s. Van sửa chữa thường là van phẳng và một bộ cửa van dùng cho 3¸4 tổ máy. Khi đường ống dẫn nước áp lực đặt hở trên mặt hạ lưu của đập thì cửa van công tác đòi hỏi phải là van đóng nhanh. Thiết bị đóng mở cửa van này để có thể thao tác nhanh gọn thường sử dụng tời điện hoặc hệ thống đóng mở thuỷ lực. Thiết bị nâng hạ phục vụ cho cửa van và lưới chắn rác thường sử dụng cầu trục kiểu chân dê bố trí trên đỉnh cửa lấy nước.
Hình thức kết cấu cửa lấy nước của trạm thuỷ điện sau đập phụ thuộc vào hình thức kết cấu của đập bê tông và vị trí của cửa lấy nước.
Cửa lấy nước trong thân đập bê tông trọng lực được thể hiện trong các ví dụ hình 1-2 và 1.10.
Hình 1-10. Cửa lấy nước trong thân đập bê tông trọng lực. a- với lưới chắn rác tháo lắp được; b- với lưới chắn rác đặt cố định dọn rác bình thường; c - với lưới chắn rác đặt cố định không dọn rác; d-cửa lấy nước kết với tràn xả lũ : 1- tường chắn vật nổi; 2- van sửa chữa (phai sửa chữa); 3- van sựa cố sửa chữa; 4- lưới chắn rác; 5- ống thông khí; 6- ống cân bằng áp lực; 7- máy đóng mở thuỷ lực; 8- ống dẫn nước turbin.
Cửa lấy nước trên hình 1-2 khi dao động mực nước thượng lưu nhỏ với mục đích giảm chiều cao của lưới chắn rác, van sửa chữa và đường ống dẫn nước turbin, tường chắn vật nổi cũng như tường trung gian được bố trí ngập rất sâu dưới mực nước chết. Nhưng do khoảng cách giữa chúng tương đối ngắn và độ ngập sâu của chúng có độ chênh lệch lớn (9m) nên lưu tốc phân bố không đều trên lưới chắn rác và có thể xuất hiện những vùng không làm việc trên lưới chắn rác dẫn tới lưu tốc thực tế có thể lớn hơn lưu tốc tính toán.
Lưới chắn rác được bố trí về phía thượng lưu trên tấm công xôn phía trước đập cho phép tăng được diện tích của lưới chắn rác. Trong nhiều trường hợp lưới chắn rác được bố trí theo hình cung tròn với mục đích tăng tiết diện lưới chắn rác và giảm vận tốc trên nó (hình 1-2b). Việc tiến hành dọn rác bẩn trên lưới chắn rác và nâng chuyển cửa van sửa chữa nhờ cầu trục kiểu chân dê đặt trên cửa lấy nước. Việc này không ảnh hưởng tới việc vận hành chúng vì quá trình vận hành của chúng không đồng thời.
Van sửa chữa là van phẳng hai tầng đặt trước van sự cố-sửa chữa, vận hành van sự cố-sửa chữa nhờ các máy đóng mở thuỷ lực riêng biệt cho từng cửa van.
ống dẫn khí kết hợp làm đường vào kiểm tra đường ống áp lực được đặt sau van sự cố -sửa chữa. Tiếp theo cửa van sự cố sửa chữa là đoạn chuyển tiếp của đường ống áp lực từ tiết diện hình chữ nhật sang tiếnthdtirệònn.hì
Cửa lấy nước trên hình 1-10a có độ ngập sâu của tường chắn vật nổi dưới mực nước chết (MNC) không lớn và tường chắn vật nổi kết hợp làm hướng dòng. Khoảng cách giữa tường chắn vật nổi và tường giữa tương đối lớn, do vậy vận tốc được phân bố trên lưới chắn rác tương đối đều hơn.
ở cửa lấy như hình 10b, c dưới chắn rác được bố trí cố định và đặt sâu dưới MNDBT. Trong các trường hợp này lưới chắn rác đặt cố định và không tiến hành dọn rác, để giảm vận tốc trên lưới chắn rác kích thước của nó có thể rất lớn và van công tác được bố trí phía trước buồng xoắn (hình 1-10,c).
Hình 1-10d là cửa lấy nước kết hợp với tràn xả lũ. Khác với các cửa lấy nước thông thường, van công tác thường là van đĩa và van hình cầu.
Cửa lấy nước trong đập vòm và đập vòm trọng lực được bố trí trên các công xôn nhô ra phía thượng lưu với mục đích không làm giảm khả năng chịu lực của thân đập hình (1-11a). Các cửa lấy nước loại này thường có độ ngập sâu lớn và được bố trí lưới chắn rác cố định không tiến hành dọn rác, van công tác bố trí trong nhà máy thuỷ điện trước buồng xoắn turbin. Trong trường hợp cửa lấy nước với đập vòm trọng lực có độ ngập sâu không lớn thì có thể bố trí van công tác và van sửa chữa trong cửa lấy nước.
Cửa lấy nước trong đập trụ chống về nguyên tắc có độ gập không lớn và chỉ bố trí lưới chắn rác và van sửa chữa, còn van công tác (sự cố- sửa chữa) được bố trí trong đường ống dẫn nước ngoài phạm vi cửa lấy nước. Các khe van sửa chữa và khe đặt lưới chắn rác bố trí trong các trụ pin ở phía trên các trụ chống (hình 1-11b).
Hình 1-11. Cửa lấy nước trong đập vòm và đập trụ chống:a- trong đập vòm; b- trong đập trụ chống; 1- lưới chắn rác; 2- công côn; 3- khe van sửa chữa; 4- tường BTCT; 5- trụ pin.
Hình 1-12. Cửa lấy nước kiểu bờ;
1- Tường chắn vật nổi; 2- lưới chắn rác; 3- khe lưới chắn rác & van sửa chữa; 4- khe cạp vớt rác; 5- van công tác; 6- máy đóng mở thuỷ lực; 7- ống thông khí; 8- ống cân bằng áp lực.
Là khối kết cấu bê tông cốt thép trong đó có bố trí lắp đặt các thiết bị của cửa lấy nước được bố trí bên bờ dốc phía vai đập dâng nước. Chúng được ứng dụng ở các trạm thuỷ điện đường dẫn và sau đập khi điều kiện địa hình và địa chất thuận lợi. Trên hình 1.12 thể hiện mặt cắt ngang qua cửa lấy nước kiểu bờ với toàn bộ thiết bị được bố trí trong một khối kết cấu bê tông cốt thép nằm trực tiếp trên bờ hồ chứa. Điều đặc biệt của kết cấu này là khe van sửa chữa và lưới chắn rác được kết hợp làm một, làm như vậy sẽ giảm được chiều dài của cửa lấy nước.
Trong nhiều trường hợp các mái dốc của bờ quá thoải hoặc quá dốc việc bố trí tất cả các thiết bị vào một khối kết cấu bê tông cốt thép sẽ không có lợi về mặt kinh tế do khối lượng đào đắp đất đá và khối lượng bê tông quá lớn. Trong trường hợp này người ta thường sử dụng cửa lấy nước kiểu bờ có giếng hoặc hầm riêng để bố trí các cửa van. ở các cửa lấy nước loại này trên mái dốc bố trí đoạn cửa vào thu hẹp dần trên đó chỉ bố trí lưới chắn rác còn các thiết bị cửa van được bố trí trong một giếng khô hoặc ướt (trong giếng ngập nước), giếng này được nối với đoạn cửa vào bởi một đoạn đường hầm ngắn làm việc trong trạng thái có áp.
Trên hình 1-13 là các ví dụ về cấu tạo cửa lấy nước bên bờ với giếng khô (1-13a) và giếng ướt (1-13b). Chúng thường được ứng dụng ở trạm thuỷ điện đường dẫn khi địa chất là nền đá.
Đối với cửa lấy nước kiểu giếng khô người ta bố trí van công tác là các loại van đĩa hoặc van cầu, giếng có tác dụng phục vụ cho việc tháo lắp, sửa chữa và bố trí các bộ phận điều khiển chúng. Đoạn đường ống dưới giếng khô phải làm bằng kim loại có tiết diện tròn.
Về kết câú cửa lấy nước kiểu tháp có dạng là một tháp riêng biệt có các cửa lấy nước bố trí xung quanh theo toàn bộ hoặc một phần lớn của tháp. Tháp được đặt trên mái dốc của bờ hồ chứa hoặc phía trước đập dâng. Cửa lấy nước kiểu tháp được sử dụng khi điều kiện kinh tế không cho phép xây dựng cửa lấy nước kiểu bờ vì khối lượng xây lắp quá lớn điều kiện địa hình hoặc khi điều kiện ổn định mái dốc không đảm bảo. Chúng thường được ứng dụng rộng rãi ở các trạm thuỷ điện với đập đất hoặc đập vòm.
Hình 1-13. Cửa lấy nước kiểu bờ với giếng đứng:
a- với giếng “khô”; b- với giếng “ướt”; 1- lưới chắn rác 2- van đĩa; 3- ống thông khí; 4- chỗ cất giữ van sửa chữa (phai sửa chữa) và lưới chắn rác; 5 tời van đĩa; 6- lỗ xuống giếng; 7- phai sửa chữa; 8-van sự cố-sửa chữa; 9- trụ pin trung gian; 10- đường hầm dẫn nước; 11- máy đóng mở van cung; 12- máy dọn rác; 13- tường BTCT.
Ưu điểm của cửa lấy nước loại này là hướng đặt đường ống dẫn nước không phụ thuộc vào cách bố trí lỗ lấy nước và khả năng bố trí nhiều dãy lỗ theo chiều cao. Phụ
Hình 1-14. Cửa lấy nước kiểu tháp với các khoang cửa bố trí theo chu vi của nó.
1- Lỗ lấy nước; 2- lưới chắn rác; 3- van sửa chữa hình trụ; 4- ống thông khí; 5- phai sửa chữa; 6- trục vít máy đóng mở cửa van trụ; 7- máy đóng mở; 8- nơi để phai sửa chữa.
thuộc vào chiều cao của tháp các cửa (lỗ lấy nước) có thể bố trí một tầng hoặc hai tầng theo chiều cao. Điều này rất có lợi trong trường hợp dòng chảy có nhiều rác bẩn hoặc ở các trạm thuỷ điện có hồ chứa lớn vì có thể sử dụng chúng để khai thác tạm thời khi hồ chưa đầy nước.
ở trạm thuỷ điện sau đập có đường ống dẫn nước áp lực ngắn và có cửa van ở trước buồng xoắn thì trong phần tháp chỉ bố trí cửa van sửa chữa còn trong các trường hợp ống dài thì vẫn bố trí cả van sửa chữa và van sự cố - sửa chữa. Trong trường hợp đoạn đầu của đường ống thẳng đứng và các lỗ lấy nước bố trí theo chu vi tháp có thể bố trí cửa van hình trụ để đóng mở đồng thời các lỗ lấy nước hoặc toàn bộ miệng vào của đường ống áp lực. Van hình trụ có thể là van thép hoặc bê tông cốt thép.
Trên hình (1-14) là cửa lấy nước kiểu tháp với các khoang lấy nước bố trí theo chu vi tháp. Cửa lấy nước có ba ống áp lực, mỗi ống được ba khoang lấy nước cung cấp. Van sửa chữa của cửa lấy nước có dạng hình trụ bằng thép độc lập cho mỗi đường ống. Để đảm bảo việc sửa chữa cửa van lấy nước cửa van cửa lấy nước được bố trí các phai sửa chữa. Lưới chắn rác được bố trí cố định.
Hình (1-15a) là cửa lấy nước kiểu tháp đặt trước đập đất, lấy nước từ một phía với nhiều khoang lấy nước. Còn trên hình (1-15b) là cửa lấy nước lấy tháp lấy nước từ một phía với một khoang lấy nước, Lưới chắn rác bố trí theo cửa hình tròn được đặt cố định.
Hình 1-15. Cửa lấy nước kiểu tháp lấy nước một phía. a- lỗ lấy nước bố trí thành dãy; b- một lỗ lấy nước; 1- lưới chắn rác; 2- khe van sửa chữa; 3- khe van sự cố-sửa chữa; 4- ống dẫn nước turbin; 5- máy đóng mở thuỷ lực; 6- ống thông khí; 7- đường kiểm tra .
Lỗ cửa lâý nước có áp nằm cao hơn mực bùn cát lắng đọng trong hồ chứa và thấp hơn mực nước chết. Cao trình ngưỡng cửa lấy nước thường đặt cao hơn mực bùn cát từ 3¸5 m đảm bảo cho bùn cát không bị cuốn vào đường ống.
Trần (mép trên của lỗ cửa lấy nước) cửa lấy nước phải ngập dưới mực nước chết tối thiểu để đảm bảo không tạo phễu xoáy trước nó. Khi trước cửa lấy nước xuất hiện phễu xoáy sẽ gây bất lợi cho vận hành của tổ máy, làm dòng chảy vào turbin không còn là dòng liên tục. Nguyên nhân tạo phễu xoáy có thể do nhiều yếu tố khác nhau như vị trí và kết cấu của cửa lấy nước. Khi thiết kế để loại trừ khả năng xuất hiện phễu xoáy cần phải tiến hành thí nhgiệm mô hình cho từng công trình cụ thể. Khi thiết kế sơ bộ độ ngập của trần dưới mực nước chết có thể lấy từ 0,5¸2 m và không nhỏ hơn 3v2/2g. Thông thường ở các trạm thuỷ điện lớn độ ngập sâu này khoảng 1 ¸ 1,5 m ở các trạm thuỷ điện nhỏ 0,3 ¸ 0,5m.
Vận tốc cho phép trước lưới chắn rác phụ thuộc vào độ ngập sâu của cửa lấy nước so với mực nước dâng bình thường, vào độ bẩn của dòng chảy và điều kiện dọn rác bẩn trên lưới chắn rác.
ở các cửa lấy nước độ ngập sâu dưới mực nước dâng bình thường không quá 20¸25 m, nếu dòng chảy có nhiều rác bẩn và cần phải có biện pháp vớt rác thì vận tốc cho phép trước lưới chắn rác có thể lấy bằng 1¸1,2 m/s. Nếu dòng chảy ít rác bẩn có thể lấy lớn hơn. Khi độ ngập của cửa lấy nước lớn hơn 20¸25 m vận tốc cho phép giới hạn từ 0,6¸0,8 m/s.
Đối với các trường hợp không tiến hành vớt rác trên lưới chắn rác vận tốc cho phép không vượt quá 0,5 m/s. Khi độ ngập quá sâu và dòng chảy ít rác bẩn thường lưới chắn rác được bố trí cố định và không tiến hành vớt rác bẩn khi tổ máy đang làm việc. Việc làm sạch lưới chắn rác chỉ thực hiện khi tổ máy ngừng hoạt động.
Mục tiêu cơ bản khi lựa chọn hình dạng các bộ phận cửa lấy nước của trạm thuỷ điện và các công trình năng lượng khác là giảm đến mức tối thiểu tổn thất cột nước và giá thành xây dựng cũng như thiết bị. Với mục đích đó các bộ phận của cửa lấy nước phải có hình dạng và kích thước phù hợp với từng điều kiện cụ thể của kết cấu công trình.
Theo kinh nhiệm thiết kế và xây dựng góc co hẹp đoạn cửa vào phụ thuộc vào tỉ số giữa vận tốc trước lưới chắn rác và vận tốc dòng chảy trong đường ống, nó dao động trong khoảng 15o¸35o. Nếu vận tốc dòng chảy trước lưới chắn rác V £1,2 m/s thì hệ số co hẹp đoạn cửa vào nên lấy trong khoảng m = w /wô = 4¸7, trong đó w,wô - tương ứng là diện tích tiết diện tại cửa vào ở vị trí mặt lưới chắn rác và tiết diện đường ống dẫn nước.
Từ các kết quả nghiên cứu trên các mô hình cho thấy rằng tổn thất cột nước trong cửa lấy nước nhỏ nhất nếu trần và ngưỡng của đoạn cửa vào có dạng hình elip (hình 1- 16a).
Hình 1-16. Sơ đồ tính toán ngưỡng cửa lấy nước.a- hình dạng ngưỡng và trần; b- hình dạng các khe van
Phương trình của hình elíp có dạng sau:
- Nếu ngưỡng cửa lấy nước đặt ngang với đáy sông (hình 1-16, sơ đồ II)
trong đó: ht- chiều sâu nước trước cửa lấy nước, h- chiều cao ống dẫn nước, các ký hiệu khác thể hiện trên hình 1-16.
Vị trí và kích thước của các khe phai và khe van cũng có ảnh hưởng lớn đối với tổn thất cột nước trong cửa lấy nước. Trên hình 1-16b là sơ đồ biểu diễn quan hệ giữa tổn thất thuỷ lực với kích thước và vị trí của chúng, trong đó h1 - tổn thất trong một khe van độc lập, h2- tổng tổn thất trong hai khe van. Từ đồ thị cho thấy rằng, tổn thất nhỏ nhất khi bố trí hai khe van tương ứng với tương quan khoảng cách và kích thước lMK = 1,5 lK. Theo kinh nghiệm, để giảm tổn thất thuỷ lực, mép sau của khe van theo chiều dòng chảy cần làm vát sâu vào trụ pin một ít d = l tg(5o ¸ 6o ) và chiều dài phần vát đó lck ³ 12.d nếu phần vát thẳng , lck ³ 6.d nếu phần vát lượn cong.
Như đã nói ở trên, tổn thất thuỷ lực trong cửa lấy nước phụ thuộc không chỉ vào hình dạng, kích thước các bộ phận của chúng mà còn phụ thuộc vào vị trí tương quan của các bộ phận đó. Vì vậy, để xác định chính xác các hệ số cản thuỷ lực của các bộ phận nói riêng và tổng tổn thất thủy lực trong toàn bộ cửa lấy nước nói chung cần phải dựa trên kết quả thực nghiệm. Trong thiết kế sơ bộ có thể sử dụng nguyên lý tổng cộng tổn thất của các bộ phận cửa lấy nước, có nghĩa là tổn thất thủy lực tính theo vận tốc dòng chảy trong ống áp lực:
Trong đó : xi- hệ số cản qua các bộ phận cửa lấy nước bao gồm các tổn thất cục bộ, tổn thất dọc đường v.v..., được xem như xảy ra độc lập, không phụ thuộc vào vị trí tương quan của các bộ phận trong cửa lấy nước.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy nếu lưới chắn rác không bị rác bẩn bám thì tính theo cách trên cho sai số không lớn (5¸10%). Nhưng khi dòng chảy có nhiều rác bẩn bám vào lưới chắn rác hoặc ở các cửa lấy nước có kết cấu phức tạp như cửa lấy nước kiểu tháp thì sai số tính toán có thể lớn hơn.
Đối với cửa lấy nước kiểu tháp, nước chảy vào theo chu vi tháp thì hệ số cản khi không có lưới chắn rác với sai số khoảng 10¸15% có thể sơ bộ xác định theo công thức sau:
trong đó: Z- số cửa lấy nước; dmax- chiều dày lớn nhất các trụ pin; D- đường kính vòng tròn bố trí các cửa lấy nước; d- đường kính ống dẫn nước áp lực; t >0.2d - chiều cao cửa lấy nước.
Hệ số cản của các cửa lấy nước kiểu đập và kiểu bờ (không kể lưới chắn rác) nằm trong khoảng 0,15¸0,30.
Hệ số tổn thất cột nước trên lưới chắn rác được tính theo vận tốc trung bình của dòng chảy trên nó bao gồm :
trong đó : xc - hệ số tổn thất cột nước khi chảy qua thanh lưới; xk - hệ số tổn thất do sức cản của khung lưới; Các hệ số này có thể tính theo công thức chung:
r, l, b - lần lượt là bán ckính công cạnh phía cửa vào, chiều dài tiết diện thanh theo dòng chảy (chiều rộng bản thanh) và khoảng cách qua nước các thanh lưới hoặc khung
Bảng 1-1.
|
h |
1.0 |
0,9 |
0,8 |
0,7 |
0,6 |
0,5 |
0,4 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
|
j |
1.0 |
0,985 |
0,977 |
0,967 |
0,96 |
0,955 |
0,953 |
0,952 |
0,951 |
0,950 |
ống thông khí của cửa lấy nước thường được thiết kế với vận tốc không khí trong ống 30¸50 m/s. Hình dạng tiết diện của chúng có thể tròn hoặc hình chữ nhật (vuông). Lưu lượng lớn nhất trong các ống thông khí phụ thuộc vào phương thức bố trí đường ống áp lực sau nó. Nếu đường ống áp lực được bố trí trong thân đập bê tông hoặc lấp đất thì khả năng vỡ ống rất ít xảy ra, do đó lưu lượng khí qua ống thông hơi được lấy bằng lưu lượng lớn nhất trong ống áp lực. Ngược lại, nếu đường ống áp lực được bố trí hở trên mặt đất hoặc đặt trong đường hầm thì khả năng sự cố vỡ ống có thể xảy ra. Trong trường hợp này lưu lượng không khí thiết kế lấy bằng lưu lượng nước lớn nhất trong đường ống khi có sự cố được tính theo công thức:
Q = m.f (1-11)
trong đó : f - diện tích tiết diện ống dẫn nước áp lực; H - cột nước lớn nhất tính đến điểm nguy hiểm nhất của đường ống áp lực; m= 1/SxI , SxI - tổng các hệ số sức cản thuỷ lực trong đường ống tính từ cửa vào đến tiết diện nguy hiểm nhất.
Sau khi xác định hình dạng, kích thước, số lượng ống thông khí cần tiến hành thì tính toán tổn thất áp lực của không khí chuyển động trong chúng. Tổng tổn thất này không được vượt quá áp lực chân không cho phép trong đường ống áp lực khi đóng cửa van.
Cửa lấy nước không áp thường được ứng dụng ở các trạm thuỷ điện với đường dẫn nước không áp khi mực nước thượng lưu không thay đổi hoặc rất ít thay đổi. Chúng làm nhiệm vụ lấy nước vào đường dẫn với lưu lượng cần thiết theo yêu cầu, ngăn ngừa vật nổi, rác bẩn, bùn cát chảy vào đường dẫn.
Để lấy đủ lượng nước cần thiết vào đường dẫn, cửa lấy nước phải có kích thước tiết diện tương ứng và lắp đặt ở cao trình hợp lý sao cho khi mực nước thượng lưu thay đổi nó vẫn đảm bảo lấy đủ nước theo yêu cầu. Đối với cửa lấy nước vào kênh tự điều tiết (xem chương 3) cửa van được bố trí chỉ hoàn toàn với mục đích sửa chữa, không làm nhiệm vụ điều tiết dòng chảy. Ngược lại khi đường dẫn nước là kênh không tự điều tiết thì các cửa van được bố trí ở cửa lấy nước còn làm thêm nhiệm vụ điều tiết lưu lượng vào đường dẫn. Trước cửa van công tác thường bố trí các khe phai hoặc khe van sửa chữa.
Một trong các nhiệm vụ quan trọng của cửa lấy nước không áp là ngăn ngừa các rác bẩn và vật nổi, vì vậy trong các cửa lấy nước loại này thường bố trí lưới chắn rác thô (khoảng cách các thanh lưới 20¸30 cm) và tường chắn vật nổi đặt cố định. Ngoài ra trong nhiều trường hợp người ta còn bố trí thêm tường hướng vật nổi đặt phía trước cửa lấy nước đặt xiên góc 30o¸45o so với dòng chảy. Tường hướng vật nổi có thể làm bằng khối liên kết nổi néo cố định để chắn rác bẩn và vật nổi trên mặt nước và hướng chúng về công trình xả lũ.
Vấn đề ngăn ngừa bùn cát chảy vào đường dẫn là vấn đề khó khăn và phức tạp. Nhiều công trình sau khi xây dựng không phát huy tác dụng do không tính hết các yếu tố liên quan đến quá trình di chuyển và lắng đọng của dòng bùn cát. Để ngăn ngừa dòng bùn cát, đáy ngưỡng cửa lấy nước cần phải đặt cao hơn đáy sông và bố trí các lỗ xả cát phía dưới ngưỡng. Các lỗ xả cát có thể xả cát liên tục hoặc định kỳ để giải phóng lượng bùn cát lắng đọng trước cửa lấy nước. Đối với lượng bùn cát lơ lửng cần phải tính toán mức độ nguy hại đối với các công trình và thiết bị phía sau theo dòng chảy để có biện pháp xử lý. Biện pháp cơ bản để ngăn ngừa bùn cát lơ lửng là bố trí bể lắng cát. Nguyên lý cấu tạo, vận hành bể lắng cát sẽ được trình bày trong chương II.
Hình 1-17. Cửa lấy nước mặt có hầm xả cát đáy a- đường hầm công, b- đường hầm thẳng; 1- cửa lấy nước; 2- ngưỡng cửa lấy nước; 3- van cửa xả cát đập; 4- hầm xả cát đáy; 5- tường vai; 6-lưới chắn rác; 7,8- cửa van ; 9- van hầm xả cát; 10- sân trước; 11- tràn; 12- kênh dẫn
Cửa lấy nước không áp được chia ra làm hai loại cơ bản : cửa lấy nước mặt và cửa lấy nước đáy.
a, Cửa lấy nước mặt.
Căn cứ vào nhiệm vụ được giao đối với từng loại công trình cụ thể mà cửa lấy nước có nhiều dạng kết cấu khác nhau. Theo nhiệm vụ ngăn ngừa bùn cát mà cửa lấy nước mặt có thể chia làm ba loại:
- Cửa lấy nước không làm nhiệm vụ ngăn ngừa bùn cát:
Loại này thường ứng dụng với các dòng chảy không có dòng bùn cát và bùn cát lơ lửng không gây tác hại đối với công trình và thiết bị của trạm thuỷ điện.
- Cửa lấy nước làm nhiệm vụ ngăn ngừa dòng bùn cát đáy: Loại này thường gặp khi lấy nước từ ngoài vào đường dẫn nhưng lượng bùn cát lơ lửng không nguy hại.
- Cửa lấy nước cần thiết phải làm nhiệm vụ ngăn ngừa bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng: loại này đỏi hỏi kết cấu đầu mối công trình cần có thêm bể lắng cát.
Kinh nghiệm vận hành ở cửa lấy nước làm nhiệm vụ xả bùn cát đáy cho thấy bố trí các lỗ xả cát dưới đáy ngưỡng cửa lấy nước (Hình 1-17) là hiệu quả hơn cả. Ngưỡng cửa lấy nước bố trí cao hơn đáy sông đủ để bố trí các lỗ xả cát với kích thước thông thường lớn hơn 1x1m, các đường hầm xả cát nằm trong khối bê tông đáy cửa lấy nước có dạng cong hoặc thẳng dẫn cát xuống hạ lưu công trình đầu mối. Vận tốc dòng chảy trong đường hầm lấy trong khoảng 4¸7m/s. Để đảm bảo cho đường hầm không bị bùn cát bào mòn, đáy và thành của chúng cần phải gia cố bằng các vật liệu chịu bào mòn cao như bọc thép đến 2/3 chiều cao đường hầm. Với kết cấu cửa lấy nước có đường hầm xả cát đáy, việc xả cát có thể đồng thời với việc lấy nước vào đường dẫn hoặc xả cát định kỳ. Trong trường hợp thứ hai bùn cát sẽ lắng đọng trước cửa lấy nước đến cao trình nhất định và định kỳ xả cát để giải phóng nó.
b, Cửa lấy nước đáy
Cửa lấy nước đáy được sử dụng ở các đoạn sông có lưu lượng thay đổi đột ngột và dòng chảy chứa nhiều bùn cát. Trên hình 1-18. thể hiện cấu tạo các bộ phận chính cửa lấy nước loại này. Miệng cửa lấy nước 2 đặt trên ngưỡng tràn xả lũ, phía trên đặt lưới chắn rác. Nước qua cửa lấy nước chảy xuống đường hầm và chảy sang khoang xả cát 3 và sau đó chảy vào bể lắng cát 8 hoặc đường dẫn 9. Độ dốc của đường hầm sao cho đủ khả năng tải bùn cát qua lưới chắn rác chảy vào khoang xả.
Hình 1-18. Cửa lấy nước đáy:1- tràn; 2- cửa lấy nước đáy có lưới chắn; 3- khoang lắng; 4,5- cửa van; 6- đường xả vật nổi; 7- cửa lấy nước từ khoang lắng; 8- bể lắng cát; 9- kênh dẫn.
Chiều rộng của lưới chắn rác từ 1¸2m, còn chiều dài thì phụ thuộc vào lưu lượng nước yêu cầu. Cao trình ngưỡng đặt lưới chắn rác cao hơn đáy thượng lưu 1¸2 m khi có bể lắng cát và 3¸5m khi không có nó. Khoang xả cát có hai cửa van thượng lưu 5 và hạ lưu 4 dùng để xói rửa cát lắng đọng trong khoang. Khoang này cũng làm nhiệm vụ chuyển nước khi dòng chảy không có bùn cát qua một cửa lấy nước phụ.
Trong trường hợp cửa lấy nước trực tiếp từ sông vào đường dẫn, do đặc tính di chuyển của bùn cát đáy và dòng chảy mặt mà ở những đoạn sông cong, dòng chảy đáy di chuyển theo hướng bờ lồi và dòng chảy mặt theo hướng bờ lõm, cửa lấy nước mặt trong trường hợp này nên bố trí ở phía bờ lõm để tránh lượng bùn cát đáy lắng đọng. ở những đoạn sông thẳng sự di chuyển bùn cát không ổn định. Khi có công trình ngăn nước dòng chảy tự nhiên thay đổi, để đánh giá chính xác quy luật di chuyển của dòng bùn cát cần tiến hành nghiên cứu các mô hình.
Sưu tầm và biên soạn bởi: Valve Men Team
