Chương 11: THIẾT BỊ ĐÓNG MỞ CỬA VAN pps

Cửa van không thể thiếu trong các công trình thuỷ điện, làm cửa âu thuyền, điều tiết dòng chảy vào tuabin, tích nớc vào hồ chứa, xả nớc mặt có vật trôi nổi, xả cát lắng đọng, đóng cửa va

11.1.1 Các loại cửa van trên công trình thuỷ lợi, thuỷ điện

Cửa van là một bộ phận rất quan trọng trên các công trình thuỷ lợi Nó dùng để

điều tiết dòng chảy, điều chỉnh mực nớc và lu lợng qua công trình, dùng để ngăn mặn giữ ngọt, tiêu chua rửa phèn ở các vùng triều Cửa van không thể thiếu trong các công trình thuỷ

điện, làm cửa âu thuyền, điều tiết dòng chảy vào tuabin, tích nớc vào hồ chứa, xả nớc mặt

có vật trôi nổi, xả cát lắng đọng, đóng cửa van để sửa chữa tuabin Nh vậy công trình khai thác có tốt hay không, có đạt đợc mục tiêu thiết kế hay không là phụ thuộc vào sự vận hành và kết cấu cửa van

Theo nhiệm vụ cửa van đợc phân thành: Cửa van chính, cửa van sửa chữa, cửa van bảo hiểm, cửa van thi công Các loại cửa van đợc thể hiện trên hình 11-1

Theo kết cấu và hình dạng, chúng ta có các loại cửa van phẳng (hình 11-1 a, b, h), cửa van cung (hình 11-1c), cửa van rẻ quạt (hình 11-1g, n), cửa van trụ đứng (hình 11-1d), cửa van trụ lăn (hình 11-1e), cửa van mái nhà (hình 11-1 j, k), Cửa van chữ nhân (hình 11-1 m), Cửa van thuỷ lực kiểu rèm (hình 11-1n) Nhng chủ yếu thờng sử dụng là cửa van phẳng

đóng mở thẳng đứng, cửa van phẳng trục đứng, cửa van tự động thuỷ lực kiểu rèm, cửa van

tự động quay đứng (hình 11-2), cửa van chữ nhân và cửa van cung Các cửa van này phải

đóng mở linh hoạt, nhẹ nhàng trong điều kiện bất lợi nhất nh lũ lên đột ngột, giông bão bảo đảm an toàn cho công trình

Ngày nay nhiều nớc trên thế giới đã có những cửa van có khẩu độ đến 80 ữ 120 mét, cột nớc cao từ 40 ữ 50 mét

11.1.2 Nhiệm vụ của máy đóng mở cửa van.

Công trình khai thác có tốt hay không, có đạt đợc mục tiêu thiết kế hay không là phụ

thuỷ lực, còn các loại cửa khác phải đóng mở cỡng bức, nghĩa là phải có máy đóng mở lắp trực tiếp để điều khiển bắt buộc cửa van hoạt động theo một quỹ đạo nhất định Nh vậy máy

đóng mở cửa van phải phù hợp với loại kết cấu, quỹ đạo chuyển động, phù hợp tải trọng nâng, môi trờng khắc nghiệt và các điều kiện cụ thể khác của chế độ làm việc của cửa van trên công trình thuỷ lợi, thuỷ điện

37

1 Các yêu cầu về máy đóng mở cửa van

Nguyên lý hoạt động của các loại máy đóng mở cửa van không khác so với các loại máy nâng thông thờng Bao gồm các loại máy nâng kiểu vít- đai ốc, bánh răng-thanh răng, máy nâng kiểu dây mềm (cáp, xích), máy nâng kiểu xi lanh thuỷ lực

Tuỳ theo chức năng của cửa van, quỹ đạo chuyển động khi đóng mở, mức độ và quy mô của công trình, điều kiện kinh tế cho phép mà lựa chọn thiết kế kiểu máy nâng thích hợp Tuy nhiên điều kiện và chế độ làm việc của máy nâng cửa van khác hoàn toàn so với 38

m) l)

g)

e)

j) h)

b)

p) n)

k) d)

Hình 11-1 Các loại cửa van: a,b- Cửa van phẳng, c – Cửa van cung, d- Cửa van trụ đứng,

e- Cửa van trụ ngang, g- Cửa van lỡi gà, h- Cửa phai, j- Cửa khung quay, k- Cửa van tam giác, l- Cửa van hình quạt, m- Cửa van chữ nhân, n- Cửa van máI nhà, p- Cửa van phai.

các loại máy nâng thông thờng Ngoài trọng lợng nâng cố định còn có nhiều tải trọng nâng khác tác động lên cửa van và

luôn luôn thay đổi chiều và trị

trôi nổi theo dòng chảy chèn

vào khe van không thể xác

định đầy đủ và chính xác Đôi

khi lực đóng cửa van còn lớn

hơn lực mở cửa van, do vậy có

nhiều trờng hợp đòi hỏi máy

phải có lực đóng mở đợc cả

hai chiều Môi trờng ẩm ớt,

m-a gió thờng xuyên gây rm-a khó

khăn cho việc bảo quản thiết

bị Hơn Hình 11-2. Cửa van

tự động trục đứng

nữa máy nâng thờng không làm việc thờng xuyên mà chỉ đóng mở khi cần thiết, điều

đó dễ dẫn đến han rỉ, hoạt động không trơn tru Vị trí đặt máy thờng không bằng phẳng, rất

dễ gây ra sai số khi lắp ráp; gây ra lực đóng mở lớn ngoài khả năng đã tính toán

Vì vậy việc lựa chọn nguyên lý, kết cấu máy nâng sao cho hợp lý, hoạt động an toàn, nhẹ nhàng là việc làm khó khăn đòi hỏi phải nghiên cứu cẩn thận, kỹ lỡng

2 Nguyên tắc cấu tạo các cơ cấu máy đóng mở cửa van

Phơng pháp cơ bản để xây dựng một kết cấu máy đóng mở cửa van là phải xác định

đợc mục đích chính và những ảnh hởng chính của cơ cấu đó Trớc tiên cần quyết định về loại truyền động cho loại và kiểu máy nâng nào, năng lợng sử dụng là gì (ví dụ năng lợng

điện, lực cơ bắp, chất lỏng, khí nén ), tiếp theo là lựa chọn phơng pháp công tác, loại truyền động và hàng loạt những thông số kỹ thuật khác nh phơng pháp điều chỉnh tốc độ (cơ khí hoặc điện) và mục tiêu kinh tế phải đạt đợc

Nh vậy, để thực hiện công việc của bộ công tác, ta có thể sử dụng bộ phận dẫn động và truyền động khác nhau Mỗi loại dẫn động và truyền động có những u nhợc điểm riêng về kĩ thuật và kinh tế và phạm vi ứng dụng Vì vậy khi lựa chọn sơ đồ dẫn động và truyền động cho một cơ cấu để thiết kế, cần quan tâm tới các thông số làm việc nh công suất, tốc độ, đặc tính động lực học, phơng pháp điều khiển, môi trờng sinh thái, khả năng quá tải, khả năng tiêu chuẩn hoá và tự động hoá, khả năng lắp đặt, vận hành, an toàn Các chỉ tiêu kinh tế nhgiá thành, chi phí sản xuất, khấu hao, chi phí bảo dỡng sửa chữa

39

Gsin

BL

nα

0

ĐóngMở

αGcos

11.2 Tải trọng tác dụng lên máy đóng mở cửa van

11.2.1 Các loại tải trọng tác dụng lên cửa van phẳng

Muốn nâng hạ cửa van cần phải tạo đợc đủ lực ở cơ cấu nâng để thắng đợc lực cản khi nâng cũng nh khi hạ cửa van Các tải trọng tác dụng lên cửa van có tác động trực tiếp lên máy nâng cửa van Trong tính toán thiết kế cửa van ngời ta đã đa vào chín loại tải trọng tác dụng để tính toán thiết kế kết cấu thép của cửa, bảo đảm cho cửa chịu đợc tải trọng bất lợi nhất Khi thiết kế máy nâng để đóng mở cửa van, ngời ta cũng phải quan tâm tới các loại tải trọng này Một điều cần quan tâm là các loại tải trọng (trừ trọng lợng cửa van) đều biến thiên về trị số trong quá trình đóng và mở cửa, riêng lực ma sát còn thay đổi phơng của lực khi thay đổi chiều chuyển động Ngời thiết kế cần nắm vững sự biến thiên đó để tính toán, lựa chọn tổ hợp tải trọng thích hợp nhất, tính chọn đợc động cơ làm việc an toàn, không lãng phí công suất Tuy có nhiều dạng cửa van, nhng có thể quy về hai dạng hay sử dụng nhất và cũng đặc trng cho tính toán là cửa van phẳng và cửa van cung Các tải trọng tác dụng lên cửa van phẳng bao gôm:

1 áp lực thuỷ tĩnh (áp lực nớc tĩnh): Đây là áp lực do độ cao của cột nớc ở cả hai phía

riêng của nớc γ =1T/m3, chiều rộng của lỗ cống b0 Nh vậy cột nớc HT ( cột nớc thợng lu) càng cao thì áp lực thuỷ tĩnh tác dụng vào cửa van càng lớn Kích thớc cửa van càng lớn (chiều rộng nhân với chiều cao cửa) thì lực nâng cửa van càng nặng

Bảng 11-1 áp lực thuỷ tĩnh lên cửa van phẳng trên mặt

2

2 H

2

T H ).LH

.(

2

T.LH.sin2

2 H

2

T H ).LH

.(

sin2

HH

2(3

1

H T

2 H

2

)HH

HH

(3

1

H T

2 H

40

)sin.HH2

V T

T

T

HH2

)H2H33

V T

cong cửa Vì vậy ngời ta dựa vào áp lực này để tính toán, thiết kế ra cửa van Tức là tính toán để lựa chọn ra kích thớc dầm ngang, dầm đứng, bản mặt có khả năng chống lại áp lực của nớc mà không bị cong, gẫy (bảng 11-1, bảng 11-2)

trong đó: P- tổng áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên cửa van, N;

Hz- vị trí hợp lực Pz kể từ mặt nớc, m;

HT- cột nớc thợng lu, m;

HH- cột nớc hạ lu, m;

HV- Chiều cao cửa van, m;

Ht - chiều cao chịu tải của cửa van bằng khoảng cách của hai vật chắn nớc ngang, m

Lt - nhịp tải trọng của cửa van bằng khoảng cách của hai vật chắn nớc bên thẳng đứng, m;

tấm trợt (hoặc các bánh xe) và bộ phận chắn nớc, tạo nên lực ma sát chống lại chiều chuyển

động lên xuống của cửa van Đây là một trong những thành phần lực cản quan trọng

nhất để tính toán lực đóng mở cửa van

áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên một đơn vị thể tích ở một điểm bất kỳ trên bề mặt cửa van

tỷ lệ bậc nhất với chiều sâu chịu tải của điểm đó và có phơng thẳng góc với bề mặt ấy áp lực tổng hợp của nớc tác dụng lên cửa van ở độ sâu bất kỳ Zi đợc xác định theo công thức:

41

Là áp lực của dòng chảy tác dụng lên cửa van khi nớc chảy dới đáy hoặc tràn trên

đỉnh cửa van gây ra

chảy dới van hay

không, kết cấu của cửa

có tạo thành khoản

chân không khi dòng

chảy rời khỏi mép cửa

van hay không (hình

11-3) Hình 11-3 Dòng chảy dới cửa van

Trong trờng hợp hình dạng mép dới cửa van hợp với dạng mặt trên của dòng chảy thì không có áp lực thẳng đứng tác dụng lên phía dới Thông thờng ngời ta lấy áp lựcthuỷ

động tơng đơng áp lực thuỷ tĩnh Mép dới của cửa van có góc vát ≥ 300 Nếu dòng chảy tách rời khỏi mép dới van, tạo thành một khoảng không gian bị ngăn cách với khí trời (hình 11-3b), sẽ xuất hiện chân không, có tác dụng hút cửa vào ngỡng do đó làm tăng lực kéo van, vì vậy cần có lỗ thông với khí trời để triệt tiêu chân không này

Khi bắt đầu nâng, dới đáy cửa van nớc bắt đầu chảy, vì quá nhanh nên gây ra lực hút cửa van (hình 11-4a):

Ptc - áp lực tiêu chuẩn, N/mm2;

b - chiều rộng của vật chắn nớc tiếp xúc với ngỡng, mm;

lcr - chiều rộng của cửa tính đến tâm vật chắn nớc đứng, mm

42

b)a)

Nhng chủ yếu áp lực thuỷ động thờng gây ra rung động, gây ra tải trọng động đối với máy nâng, làm hỏng máy.

3 Lực đẩy và lực thấm

Khi cửa van đang đóng, mép dới cửa van tựa lên ngỡng (hình 11-4 b) Nớc ở đáy

có xu thế đẩy cửa lên do có mép vát Lực đẩy là lực tác động lên mép dới của cửa van Chiều của lực đẩy hớng từ dới lên trên và có trị số:

trong đó:

HT- mực nớc thợng lu (m)

a - bề rộng của diện tích chịu áp lực nớc (m)

l c- Chiều dài chịu tải của vật chắn nớc (m)

Nếu không có mép vát thì không có lực đẩy

Khi cửa van đang đóng,

mép dới cửa van tựa lên ngỡng

Nớc ở đáy thấm qua mặt của

ng-ỡng và có hớng đẩy cửa lên (hình

11-4 b) Ta gọi đó là lực thấm

Lực thấm sẽ nhỏ khi chiều rộng b

của vật chắn nớc nhỏ, tuy nhiên

chiều dày của chắn nớc b không

thể quá nhỏ vì kích thớc phải bảo

đóng mở cửa van Giá trị của nó đợc xác định theo công thức:

áp lực gió tác dụng lên cửa van đợc xét đối với trờng hợp khi van nhấc lên khỏi mặt nớc Trị số của áp lực gió đợc xác định theo công thức:

trong đó : q- là cờng độ tải trọng gió đơn vị theo bảng, N/m2;

k1 - hệ số kể đến hình dạng chịu gió của máy nâng;

ΣF - tổng diện tích chịu gió, m2 F là diện tích có hớng gió vuông góc với bề mặt đó Diện tích hứng gió đợc xác định theo công thc:

trong đó :

Fo - diện tích bề mặt đợc giới hạn bởi đờng biên ngoài của kết cấu, m2;

k2 - hệ số kể đến phần hổng của kết cấu:

k2 = 0,2 ữ 0,4 đối với kết cấu dàn;

k2 = 0,8 ữ 0,1 đối với các cơ cấu máy;

k2 = 1 đối với các kết cấu thành kín

6 Lực ma sát của cửa lên khe van khi chuyển động

Đây là lực cản do ma sát của các gối tựa động của cửa van và bộ phận chắn nớc gây ra Các lực cản này chỉ xuất hiện khi cửa van bắt đầu chuyển động Hớng của lực luôn luôn ng-

ợc lại chiều chuyển động của cửa van (khi nâng cửa van lên thì lực có chiều xuống dới, khi hạ cửa van xuống các lực này có chiều hớng lên trên Đây là loại lực cản lớn nhất khi nâng hạ cửa van

a)Lực ma sát gối tựa động khi sử dụng tấm trợt (hình 11-5a):

Fms= Rf1, N;

(11-8) b) Lực cản ma sát khi dùng

R2

1 ms

Q

FR

msF

2R

Fms

R1Q

- Bánh xe lắp bạc trợt trong ổ:

Fmsl =

r

)frf

r(

3

2 2

Pz - áp lực thuỷ tĩnh lên cửa van, N;

f1 - hệ số ma sát lăn giữa bánh xe và ray, cm; thờng f1= 0,06 ữ 0,08cm;

γ - trọng lợng riêng của nớc, N/m3;

f - Hệ số ma sát của vật liệu chắn nớc với bộ phận cố định của công trình;

lcn- chiều dài của bộ phận chắn nớc, m;

Hc- chiều cao của cửa van, m;

45

a) b) Hình 11-5 Lực cản ma sát

Hình 11- 6 Vật chắn nớc: 1- Cửa van, 2- Vật chắn nớc, 3- Gối tựa động, 4- Bộ phận cố

bc- chiều rộng chịu áp lực nớc của vật chắn nớc tiếp xúc với bộ phận cố định, m

(Đối với roăng chữ P lấybằng đờng kínhđầu tròn)

van có dầm chính rỗng thì nhẹ hơn khoảng 15% Loại cửa van nhiều tầng có các cánh khác nhau thì nặng hơn khoảng 10%, còn khi các cánh nh nhau thì nặng hơn khoảng 20% Trọng lợng cửa van có cửa phụ lớn hơn từ 10 ữ15%

3

R

14008,02,0

trong đó: R(daN/cm2) - cờng độ tải trọng của vật liệu sử dụng

Cũng có thể xác định trọng lợng phần động của cửa van theo công thức sau:

a) Đối với cửa van phẳng dới sâu có bánh xe:

G=

73 , 0 0390

b.P

Pb

Pb

Pb

đẩy hoặc lực hút, áp lực gió, lực bùn cát Các tải trọng này luôn luôn biến thiên, không cố

định, do vậy phải phân tích và chọn tổ hợp lực nào là quan trọng nhất để đa vào thiết kế máy nâng Đối với công trình thuỷ lợi ngời ta thờng lựa chọn trong hai tổ hợp tải trọng: tổ

hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt

Tổ hợp cơ bản bao gồm tải trọng cố định, tải trọng tạm thời dài hạn và ngắn hạn

Tổ hợp đặc biệt bao gồm tải trọng cố định, tải trọng tạm thời dài hạn, một số tải trọng tạm thời ngắn hạn và một tải trọng đặc biệt

47

Khi tính toán cần xét tới điều kiện bất lợi nhất của tải trọng có thể tác động đồng thời lên cửa van ứng với các vị trí: cửa van tựa lên ngỡng, cửa mở hoàn toàn, thời điểm bắt đầu nâng cửa rời khỏi ngỡng, hoặc hạ xuống ngỡng, mở một phần có xét tới áp lực thuỷ

Hoặc khi dùng cơ cấu dây mềm thì:

Do áp lực của nớc tác dụng lên cửa van thay đổi trong quá trình nâng nên lực nâng cửa van sẽ khác nhau Ban đầu lực nâng nặng nhất sau đó sẽ giảm dần vì càng nâng lên cao cột nớc trớc cửa van càng thay đổi (nhỏ dần)

Các lực xác định trên đây chỉ là tơng đối Trong công trình thuỷ lợi có nhiều vật trôi nổi: gỗ, cây, đá theo dòng chảy chèn vào khe van ở dạng nêm gây ra lực kẹt rất lớn, đôi khi lực nâng cửa van không thể thắng nổi Do vậy cần có kết cấu khe van, khoảng cách hai gối động, hai bánh xe dẫn hớng thích hợp để chống lại phát sinh kẹt cửa Mặt khác cần

có thiết bị chắn rác phía trên dòng chảy để ngăn vật trôi nổi Cần có thiết bị bảo vệ an toàn cho máy nâng nh cơ cấu hạn chế hành trình, hạn chế quá tải

11.2.3 Các tải trọng tác dụng

lên cửa van cung:

1 Vấn đề chung.

Cửa van cung là loại cửa van mà

mặt cắt ngang của kết cấu phần động

có dạng hình cung và đợc liên kết với

các càng tới một gối tựa động lắp cố

định trên công trình

Cửa van cung đợc sử dụng nhiều

trong các công trình thuỷ lợi thuỷ điện

Nó là loại cửa van chính trên công trình

nh đập tràn, cống, âu thuyền Không

dùng cửa van cung nh là cửa sửa chữa,

dẫn nớc vào buồng tua bin trong các

nhà máy thuỷ điện trên sông, cửa của

các bể áp lực, các ống có áp dẫn vào

nhà máy thuỷ điện

Cửa van cung đợc phân thành các

loại:

+Theo mực nớc thợng lu: Cửa van

trên mặt và cửa van dới sâu

+ Theo hình thức nớc chảy qua:

Cửa van cho nớc chảy dới, cửa van cho

nớc tràn trên, cửa van vừa chảy dới vừa

chảy tràn trên

+Theo kết cấu: Cửa van đơn, cửa

van có cửa phụ, cửa van kép

2 áp lực thuỷ tĩnh

Cũng nh cửa van phẳng, ở cửa van

cung có đủ các thành phần lực tác

dụng Do kết cấu của bản mặt cong và

phơng pháp đóng mở cửa khác với cửa

50

Hình 11-8 áp lực lên cửa van cung: 1 Cửa

van cung, 2- ổ quay, 3- Ngỡng, 4- khe van,

5- Máy nâng thuỷ lực để quay trục lệch tâm,

6- Máy nâng cửa van, 7- Thanh kéo,

5 6

8

van phẳngmà áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên cửa van có phơng chiều khác với van phẳng Các loại tải trọng còn lại cũng tính tơng tựnh phần cửa van phẳng

Cửa van cung cũng chia ra cửa van trên mặt và cửa van dới sâu

a) áp lực thuỷ tĩnh tổng hợp tác dụng lên cửa van cung trên mặt.

áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên cửa van cung phụ thuộc vào vị trí đặt cửa van và vị trí tâm quay Tổng áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên cửa van:

d

2

ng PP

Parctg

==

trong đó :

Png- tổng thành phần lực ngang tác dụng lên cửa van cả thợng lu và hạ lu

Pđ - tổng thành phần lực đứng tác dụng lên cửa van ở thợng lu và hạ lu Lực ngang và lực đứng phụ thuộc vào vị trí của tâm quay so với mực nớc thợng lu,

ví dụ:

2 T ng

ng H