3.1.1. Cấu tạo
+ Cấu tạo cửa van chữ nhõn dạng giàn: Gồm hai cửa van cỏnh cửa tạo thành
Hỡnh 3 - 1: Kết cấu cửa van chữ nhõn
1-Bản mặt 4- Dầm ngang chớnh 7- Khớp kớn nước 2-Dầm ngang 5- Trục quay dưới 8- Đập chỡm 3-Dầm đứng 6- Neo trờn
+ Cấu tạo cửa van phao chữ nhõn:
Gồm hai cỏnh cửa van phao cỏnh cửa tạo thành. Kết cấu của cửa van cú thể hỡnh hộp, cú thể là giàn hỡnh thoi ( hỡnh bỏnh mỡ), cú thể là hỡnh bỏn nguyệt. Chiều rộng cửa van cú thể tới hàng trăm một chiều cao cú thể tới 20m và chiều dày cú thể tới 15m. Một đầu cửa van tựa vào trụ biờn bằng ổ quay trục đứng hoặc bằng giõy
42
neo, cũn đằng kia khi đúng tựa vào cửa van đối xứng. Cửa van được đúng mở bởi tời kộo thủy lực hoặc cú thể bằng bơm đẩy phản lực. Loại cửa này dạng hộp phao dễ di chuyển khi đúng mở. Đập gồm hai cửa van phao cỏnh cửa, bố trớ theo sơ đồ chữ nhõn với gúc giữa cửa van và phuơng vuụng gúc dũng chảy < 30 độ. Khi làm việc hai cửa van tựa đầu vào nhau và đầu kia tựa vào trụ biờn. Phớa dưới cửa van dừa gờ đập cao khoảng 0,7- 1,m.
- Loại thứ nhất, cửa van phao là hỡnh hộp liờn tục, bốn mặt kớn nước, cú lỗ bơm nước vào ra. Để điều tiết mực nước và lưu lượng thỡ trờn mặt đập phải gắn một cửa van nữa cú thể là van phao,như vậy là van phao đặt trờn van phao.
3.1.2. Nguyờn lý vận hành cửa van phao chữ nhõn
Hỡnh 3 - 2: Nguyờn lý làm việc của van phao chữ nhõn
+ Đầu mựa khụ: Cửa van đúng ở vị trớ I,hỳt nước cho cửa van nổi lờn rồi dựng tời kộo về vị trớ II,bơm nước vào cửa van chỡm xuốngở vị trớ chắn dũng chảy.Thao tỏc cỏnh thứ hai cũng tương tự. Cửa van ở vị trớ làm việc là dõng mực nước thượng lưu lờn một mực nước nào đo,sau đú dựng cửa van điều tiết trờn đập hoặc trong đập đểđiều tiết mực nướcthượng lưu theo yờu cầu.
+Cuối mựa khụ: Cửa van đang ở vị trớ II, hỳt nước ra để cho cửa van nổi lờn,rồi kộo đầu cửa về vị trớ sỏt bờ nằm dọc dũng chảyvà ộp vào bờ đồng thời bơm
43
nước vào cho cửa chỡm để khỏi cản thoỏt lũ, hoặc di chuyển đến chỗ cất giữ nếu là đập thờiđập thời vụ.
3.2. Ưu nhược điểm cửa van phao chữ nhõn
Cửa van chữ nhõn cú ưu điểm là cú thể làm khoang rộng hơn. Cựng một kớch thước khoang đập thỡ một cỏnh cửa van chữ nhõn chỉ rộng khoảng 0,57 cửa van cỏnh cửa, nờn gia cụng lắp đặt dễ hơn. Để việc lắp đặt sữa chữa dễ dàng cú thể làm cửa van phao chữ nhõn. Trong trường hợp kết hợp với cầu giao thụng qua sụng Hồng với khẩu độ lớn thỡ ứng dụng cửa van chữ nhõn rất phự hợp.
-Ưu điểm:
+ Kết cấu cối trục đơn giản hơn.
+ Thi cụng lắp đặt vận hành dễ dàng hơn.
+ Khụng phải lắp đặt và thỏo dỡ nhiều lần, chỉ lắp đặt hai lần là xong. + Cửa van nằm gọn trong dũng chảy, khụng phải di chuyển lờn khụng trung như cửa van phẳng.
+ Điều tiết nước đơn giản. - Nhược điểm:
+ Cửa van rộng làm cho việc vận chuyển khú khăn. + Chưa cú kinh nghiệm lắp đặt loại cửa van này.
3.3. Điều kiện nổi và chỡm của cửa van trong nước3.3.1. Điều kiệnổnđịnhcủa cửa van trong nước 3.3.1. Điều kiệnổnđịnhcủa cửa van trong nước
Để đảm bảo cửa van khụng bị lật ngay khi nổi thỡ nú phải đảm bảo ổn định ở trạng thỏi tĩnh. Điều này phụ thuộc vào vị trớ tương đối của trọng tõm và tõm nổi tức là phụ thuộc vào kết cấu của cửa van.
Điều kiện đảm bảo cho cửa van khi nổi ổn định trờn mặt nước là tõm nổi của phần chỡm và trọng tõm của cửa van nằm trờn cựng đường thẳng vuụng gúc mặt thoỏng.
Trọng tõm của cửa van:
Để cửa van ổnđịnhnổi đều trờn mặt thoỏng thỡ kết cấu cửa van phải thoả món phương trỡnh sau:
44 1 .X 0 i n i i g = = ∑ (3.1) 1 .Y 0 n i i i g = = ∑ (3.2)
gi: Trọng lượng của kết cấu thứ i, hoặc tải trọng thứ i
Xi, Yi: khoảng cỏch từ trọng tõm kết cấu thứ i hoặc tải trọng thứ i đến trục OX, OY.
Khi cửa van thoả món điều kiện (3-1), (3-2) thỡ toạ độ trọng tõm XG=0, YG=0
Hỡnh 3 - 3: Diễn biến tõm nổi và tõm ổn định khi nghiờng
G: Trọng tõm của cửa van
1 1 .Y (3.3) n i i i G n i g OG Y g = = =∑ ∑
Tõm nổi của phần chỡm cửa van là trọng tõm của phần chỡm cửa van, đối với cửa van đối xứng thỡ toạ độ tõm nổi là :
XB=0; YB=0; ZB=hn/2. (3.4)
Trong đú:hn là độ sõu chỡm tớnh toỏn của cửa van M là tõm ổnđịnh
45
G là trọng tõm của cửa van B là tõm nổi
Tõm ổn định M: được xỏc định trong trường hợp cửa van bị nghiờng với gúc nghiờng hết sức nhỏ, là điểm cắt giữa hướng tỏc động của lực nổi và trục đối xứng của cửa van.
Bỏn kớnh tõm ổn định: là khoảng cỏch giữa tõm nổi B và tõm ổn định M. Khi cửa van nghiờng với gúc nghiờng nhỏ thỡ tõm nổi di chuyển theo cung gần như cung trũn với bỏn kớnh MB cũn tõm là M. Khi cửa van nghiờng với gúc nghiờng lớn điều trờn khụng cũn đỳng nữa. Tõm B lỳc đú dịch chuyển theo quĩ đạo giả elip, cũn M luụn nằm trờn đường cong ngược với đường cong B vẽ.
Khi cửa van nghiờng gúc φ nhỏ thỡ tan φ~φ
2 . 0, 5 .( 0, 5 ). . 3 2 (3.5) . n B n L L L h L Y h L φ φ − + = 2 2 . 0, 5 .( 0, 5 ). . 1 3 2 1 (3.6) 2 . 12 n n n L L L h L L L BB h L h φ φ φ − + = − = 2 1 1 (3.7) 12 n BB L MB h φ = = 2 1 (3.8) 12 2 n M B n h L Y Y MB h = + = +
Cụng thức (3-8) xỏc định chiều cao tõm ổn định khi hn<Hcv Diễn biến ổn định:
Nếu: YG<YB
hoặc YM>YG>YB thỡ cửa van ở trạng thỏi ổn định bền. Khi làm nổi nếu cửa van nghiờng gúc ϕ, tõm nổi di chuyển từ B đến B1, lực nổi W đi qua tõm nổi B1 và hướng lờn, trọng lượng cửa van đi qua G và hướng xuống, hai lực này song song ngược chiều nhau và cú giỏ trị tuyệt đối bằng nhau, tạo ra momen phục hồi (Mph) đưa xà lan về lại vị trớ cõn bằng.
Mph= ΣG.GM.sinφ = ΣG.GM.φ (3.9)
GM: khoảng cỏch từ trọng tõm đến tõm ổn định
46
Dựa vào hệ phương trỡnh trờn từ (3.1) đến (3.8) ta tớnh toỏn được cỏc kớch thước cơ bản của cửa van cũng như bố trớ cỏc thiết bị và tải trọng trờn nú để cửa van đảm bảo nổi cõn bằng trờn nước.
3.3.2. Điều kiện chỡm của cửa van trong nước
Điều kiện vật chỡm khi G>P
Trong đú: G trọng lượng của cửa van P Lực đẩy nổi
3.4. Tớnh ổn định của cửa van phao chữnhõn khi nổi
Về cấu tạo, đập gồm hai cửa van phao chữ nhõn, bố trớ theo sơ đồ tam giỏc với gúc giữa cửa van và phương vuụng gúc dũng chảy < 30 độ. Khi làm việc hai cửa van tựa đầu vào nhau và đầu kia tựa vào trụ. Phớa dưới cửa van tựa gờ đập cao khoảng 0,7- 1,0m. Cửa phao chữ nhõn cú hai loại kết cấu. Mỗi cỏnh cửa van cú kớch thước như sau:
- Chiều cao được xỏc định theo yờu cầu điều tiết: H= Zcv – Zng (3-9)
Trong đú: Zcv là cao trỡnh đỉnh cửa van Zng là cao trỡnh ngưỡng cửa van
Theo cụng thức Laupman(Giỏo trỡnh thủy cụng) ta cú:
0 . . ( )
G=g H L N
Trong đú: H - Chiều cao cửa van do yờu cầu nhiệm vụ đề ra H= Zcv – Zng (m) L0- Chiều rộng cửa van (m)
Với 3 2 2 0 640( . 1)(N/ m ) g= H l − Lực đẩy nổi: dn 0 W =B H( −h ) Để đảm bảo độ nổi h0
47 0 0 Wdn G B H h H h = = − − Trong đú:
G trọnglượng cửa van
ho chiều cao phần nổi nằm trờn mặt thoỏng Điều kiện ổn định của tấm bản mặt cửa van:
. u
M m R W
σ = ≤
Hỡnh 3 - 4: Sơ đồ cửa van
Với 2 1. W 6 bm bm δ = ⇒ 6 . i bm u M m R σ ≥ Trong đú: M Là mụ men lớn nhất của bản mặt; m Là hệ số điều kiện làm việc, m = 0,72 Ru Ứng suất phỏp khi chịu uốn.
δbm Là chiều dày tấm bản mặt tớnh toỏn
3.5. Sơđồ lực tỏc dụng
Khi cửa van nổitrong nước
48
Khi cửa van điều tiết
Hỡnh 3 - 6: Sơ đồ lực tỏc dụng cửa van khi đang điều tiết
3.6. Tớnh toỏn lực đúng mở cửa van
Lực đúng mở cửa van chữ nhõn được xỏc định theo cụng thức sau đõy:
M T
l
=
Trong đú:
T: Lực kộo,đẩy cần thiết để mở,đúng cửa (T) M: Mụ men cản tớnh toỏn khi đúng mở cửa (Tm). l: Cỏnh tay đũn từ điểm kộo đến tõm quay (m)
Trị số mụ men cản tớnh toỏn M được xỏc định theo cụng thức: M=M1 + M2 + M3 + M4
49
Hỡnh 3 - 7: Sơ đồ lực đúng mở cửa van
M1-Mụ men do ỏp lực của cột nước thủy tĩnh chờnh lệch lỳc mở cửa
1 0, 5. . .Hc n
M = ∆h l h
∆ - Cột nước thủy tĩnh chờnh lệch lỳc mở cửa lc-Chiều dài tớnh toỏn của cửa
Hn-Chiều cao của cửa ngõm trong nước (m)
M2-Mụ men quỏn tớnh của khối nước do sự di chuyển của cỏnh cửa van tạo ra
2 2
2 0,15. n. .c bq
M = H l V
bq
V
- Vận tốc bỡnh quõn của cửa khi di chuyển (m/s)
0 . 2. c bq l V t ϕ =
ϕ-Gúc quay của cửa (radian)
0
t -Thời gian mở cửa (s)
M3-Mụ men quỏn tớnh của cửa khởi động từ vị trớ ban đầu
2 3 2 0 . 0,15.G lc M t =
M4- Mụ men do tải trọng giú tớnh theo cụng thức
2 4 0, 47. k. .c 1
M = H l q k
50
1
q -Áp suất của tốc độ giú,thường lấy q1=40kg/m2
3.7. Cối quay trong cỏc cửa van thụng dụng3.7.1.Cối quay của cửa van tự động trục đứng 3.7.1.Cối quay của cửa van tự động trục đứng
Cửa van tự động trục đứng là loại cửa van cú trục quay bố trớ thẳng đứng gồm cối quay trờn và cối quay dưới. Giữa cối trờn và cối dưới bố trớ lệch trục một gúc α. Kết cấu cối quay đàm bảo cho cửa quay quanh trục thẳng đứng trong suốt quỏ trỡnh làm việc. Kết cấu cối quay thể hiện trờn hỡnh vẽ.
Cụm cối trục trên
Hỡnh 3 - 8: Cụm cối quay trờn cửa van tự động trục đứng
Cụm cối trục dưới
51
3.7.2. Cối quay của cửa van cung
Cửa van cung là loại cửa van cú cụm cối quay lắp ở đầu càng van, Tựy theo số lượng càng van mà cú số lượng cối quay tương ứng. Cỏc cối quay của cửa van cung đảm bảo cho cửa van cung quay quanh trục nằm ngang đi qua tõm trục cỏc cối quay. Kết cấu cối quay thể hiện trờn hỡnh vẽ.
Hỡnh 3 - 10: Kết cấu cối quay cửa van cung
3.7.3. Cối quay cửa van Clape
Cửa van Clape là loại cửa dạng kết cấu tấm phẳng, lờn kết với cụng trỡnh thụng qua cỏc cối quay gắn lờn đỏy cụng trỡnh. Tủy theo khẩu độ của cửa van mà bố trớ nhiều cụm cối quay. Quỏ trỡnh hoạt động của cửa Clape quay quanh trục nằm ngang đi qua tõm cỏc trục cối quay. Kết cấu thể hiện trờn hỡnh vẽ.
52
Cối quay cửa Clape
Hỡnh 3 - 11: Kết cấu cối quay cửa van Clape.
3.8. Lựa chọn kết cấu cối quay cho cửa van phao chữ nhõn.
Để quỏ trỡnh hoạt động cửa van cửa van phao chữ nhõn được đảm bảo, kết cấu cối quay phải được phõn tớch tớnh toỏn thiết kế với điều kiện đỏp ứng được trong cỏc trường hợp làm việc của cửa van như đó trỡnh bày ở trờn. Quỏ trỡnh làm việc của cửa van khụng ổn định theo một chiều hướng phạm vi ổn định nào cả mà biến đổi theo nhiều phương khỏc nhau tức là biến đổi đa chiều.
Cửa van được nghiờn cứu để ỏp dụng cho cỏc cụng trỡnh cú khẩu độ lớn cho nờn lực tỏc dụng tại vị trớ neo cửa là rất lớn cho nờn cối quay của cửa van phải đảm bảo điều kiện chịu lực.
Cụm cối quay phải được lựachọn sao cho phự hợp cả về kỹ thuật và đảm bảo điều kiện kinh tế cũng như tớnh khả thi cho quỏ trỡnh gia cụng chế tạo.
Qua phõn tớch cỏc loại kết cấu quay thụng dụng đó ứng dụng trong cỏc loại cửa van cơ bản như: Cửa cung, cửa tự động trục đứng, cửa van Clape . . . Loại cối quay này chỉ đảm bảo cho cửa hoạt động quay theo một trục thẳng cho nờn khả năng ứng dụng vào cho cửa van phao chữ nhõn là rất khú khăn và khụng khả thi.
Để đỏp ứng cơ bản cỏc yờu cầu trờn cối quay cửa van chữ nhõn cú thể ỏp dụng một sụ kiểu dạng như sau:
53
- Kết cấu neo giữ cối quay dạng cầu;
- Kết cấu neo giữ cối quay kết hợp với dõy mềm.
3.8.1. Kết cấu cối quay dạng cầu
Đối với loại cối quay dạng này đó được nghiờn cứu và ứng dụng trờn thế giới đú là cụng trỡnh ngăn sụng Maeslant - Hà Lan. Đõy là cụng trỡnh bố trớ 02 cửa van cung kết cấu phao nổi quay quanh trục thẳng đứng trờn một khoang cửa.
Quỏ trỡnh hoạt động của cửa van này ngoài chiều quay quanh trục thẳng đứng thỡ cửa cũn chuyển động lờn xuống do phao nổi thay đổi theo mực nước triều lờn xuống.
Kết cấu cụm cối quay cho cụng trỡnh này được thiết kế đa chiều quay của cửa và chịu toàn bộ ỏp lực tỏc dụng lờn cửa van.
Một số hỡnh ảnh về kết cấu này như sau:
54
Hỡnh 3 - 13: Mụ hỡnh cối quay cụng trỡnh Maeslant - Hà Lan