CỬA VAN HÌNH CUNG

Cửa van hình cung là loại cửa van có bản chắn nước cong mặt trụ. Sau tấm chắn nước là hệ thống dầm tựa vào càng, chân càng tựa vào trục quay gắn vào trụ. Chuyển động khi nâng hoặc hạ cửa van là chuyển động quay.

Khi trục quay của cửa van trùng với tâm vòng tròn của tâm chắn, áp lực nước sẽ truyền qua càng đến trục quay. Nếu tâm quay nằm thấp hơn tâm cung mặt chắn thì lực mở sẽ giảm; khi tâm quay nằm phía trên tâm cung mặt chắn thì áp lực nước có tác dụng ép cửa van xuống ngưỡng làm cho đáy khít hơn, ít rò rỉ. Song nhược điểm của các trường hợp này là dễ gây hiện tượng rung động khi mở cửa. Vì vậy thường bố trí trục quay trùng với tâm vòng tròn của mặt chắn.

Ưu điểm của van hình cung là lực mở nhỏ, mở nhanh và dễ dàng, điều tiết lưu lượng khá tốt, trụ có thể làm mỏng so với van phẳng vì khe van nông. Tuy nhiên trụ phải làm dài để có đủ kích thước đặt càng van. Áp lực nước tác dụng tập trung lên trụ (qua càng van) làm cho ứng suất phát sinh trong trụ và việc bố trí cốt thép chịu lực phức tạp, nhất là những nơi van làm việc trong điều kiện chịu lực hai chiều. Về cấu tạo và lắp ráp van cung cũng khó khăn, phức tạp hơn van phẳng.

Cửa van cung là loại được áp dụng khá rộng rãi, nhất là khi cửa tháo có nhịp lớn hay những nơi cần tháo nước nhanh. Vật liệu làm cửa van thường bằng thép. Khi cửa van không lớn cũng có thể làm bằng gỗ.

6.3.2. Lực tác dụng lên cửa van hình cung

Áp lực nước thượng lưu W tác dụng lên cửa van là hợp lực của áp lực theo phương ngang W1 và theo phương đứng W2 như hình (6­19) biểu thị.

2 2 2

1 W

W

W  

(6­16)

Áp lực ngang W1 (với cửa van trên mặt) xác định theo công thức:

l H 5 , 0

W1   12 , (6­17)

trong đó:

l ­ chiều dài nhịp van;

 ­ trọng lượng riêng của nước.

Điểm đặt của W1 cách đáy một khoảng 1/3H1 và cách tâm quay O một khoảng l1. Áp lực đứng W2 bằng trọng lượng khối nước ABC, điểm đặt cách tâm O một khoảng l2. Trị số l2 xác định từ công thức:

0 l W l

W1 1  2 2  (6­18)

234

Cũng phân tích tương tự như trên để tính áp lực nước phía hạ lưu cửa van (sơ đồ hình 6­19,b).

Hình 6-19. Sơ đồ áp lực nước tác dụng lên van cung.

a) từ phía thượng lưu b) từ phía hạ lưu

Trọng lượng cửa van bằng thép có thể xác định sơ bộ theo công thức kinh nghiệm do A.R.Bêrêzinskin đề nghị:

4 F F 1500

G  ; (N) (6­19)

trong đó: F ­ diện tích bản chắn nước (m2).

6.3.3. Xác định lực mở cửa van hình cung Lực mở P1 có thể xác định theo công thức:

 1 2

2 0 1

1 KT K T T

P   

; (6­20)

trong đó:

K1, K2 ­ hệ số an toàn, lấy K1 = 1,1; K2 = 1,2;

T0 ­ lực để thắng trọng lượng bản thân;

T1 ­ lực để thắng ma sát tại khớp quay;

T2 ­ lực để thắng ma sát tại thiết bị khít nước.

Lực T0 có thể tính theo công thức sau:

4 3

0 l

Gl

T  ; ` (6­21)

trong đó:

G ­ trọng lượng van. Các ký hiệu khác xem hình vẽ (6­20).

Lực kéo T1 để thắng ma sát ở khớp quay tính theo công thức:

4 1

. . l

r Q

T  f ; (6­12)

trong đó:

f ­ hệ số ma sát trượt giữa trục quay và ổ đỡ, lấy theo bảng 6­1;

r ­ bán kính trục tại khớp quay (m);

235 Q ­ lực tác dụng tổng hợp tại khớp quay (N).









G W

Q 0 ; (6­23)

W ­ Áp lực nước tĩnh truyền lên khớp;

G0 ­ thành phần trọng lượng bản thân truyền lên khớp quay, dựa vào điều kiện cân bằng lực, ta có:







 



2 3

0 1

l G l

G ; (6­24)

với  là góc giữa phương thẳng đứng và phương của cần xilanh ở vị trí van đóng (hình 6­20).

l2 l4



h1

W l3

g0

G

Q

T2 T1 T0

W

Hình 6-20. Sơ đồ xác định lực mở van cung Lực kéo T2 để thắng ma sát tại thiết bị kín nước ở hai bên:

4 2

2 l R e fP T



 



 

 ; (6­25)

trong đó:

f ­ hệ số ma sát giữa vật liệu làm thiết bị kín nước và vật liệu làm đệm gắn ở mố trụ;

P ­ áp lực do thiết bị kín nước tỳ lên bản đệm;

e ­ chiều rộng của thiết bị kín nước.

Sơ đồ xác định áp lực do thiết bị kín nước tỳ lên bản đệm như trên hình 6­21.



236

Hình 6-21. Sơ đồ xác định tổng hợp lực pháp tuyến do vật kín nước tỳ lên 2 bên trụ (van trên mặt): a) Mặt cắt ngang; b) Mặt bằng.

Tuyến tỳ của thiết bị kín nước ở mặt bên của trụ là một cung tròn có tâm ở O, bán kính (R+e/2), trong đó R là bán kính bản mặt van cung.

Áp lực nước tác dụng lên vật kín nước ở mỗi bên van có phương nằm ngang (vuông góc với mặt bên trụ), có chiều hướng vào trụ, và trị số tính cho một đoạn dài dLc của tuyến tỳ là:

dP = n.y.e.dLc ; (a)

với y là độ ngập sâu của điểm xét (điểm B trên hình 6­21a).

Chính lực tỳ vào điểm B sẽ gây nên ma sát giữa vật kín nước với trụ.

Xét trên toàn bộ tuyến tỳ B1B2 của vật kín nước, và tính cho cả 2 mặt bên trụ:





2 1

. . . . 2

B B

c n yedL

P 







2 1

. . . . 2

B B

c

ne ydL

P 

; (b)

Gọi hc là độ sâu ngập nước của điểm giữa cung B1B2, ta có:

c c B

B

L h dLc

y. .

2 1

 

; (c)

trong đó Lc – chiều dài cung B1B2.

Do trị số của e/2 thường là rất nhỏ so với bán kính R của mặt van cung, nên có thể lấy gần đúng chiều dài Lc bằng chiều dài (phần ngập nước) của bản mặt van cung (xét trên mặt cắt ngang), khi đó, theo hình học ta có:

.180

R Lc 

; (d)

với  là góc ở tâm của cung van, tính bằng độ ( xem hình 6­21a).

Thay (c) và (d) vào (b) ta được:

.90 . .

. 



 eh R P n c

. (e)

Ví dụ thực hành 6-2

Tính toán lực để mở van hình cung trên đập tràn với các dữ kiện như sau:

­ Bề rộng cửa tràn: B=12,0m;

­ Cao trình ngưỡng van : Znv = 200,0m;

­ Mực nước vận hành cao nhất: MNTL=210,0m;

­ Bán kính mặt chắn nước: R=12,0m; bán kính trục quay r=0,15m;

­ Góc ở tâm của cung van:  = 500;

237

­ Trọng lượng van và càng: G=600KN;

­ Điểm đặt của G tương ứng với l3 = 9,0 m; (xem hình 6­20b)

­ Góc nghiêng của trụ van khi đóng:  = 300;

­ Góc nghiêng của cần xilanh khi van đóng:  = 200; tay đòn tương ứng: l4 = 8,0m. Điểm nối cần xilanh với càng van là I có khoảng cách l2 =10m;

­ Vật khít nước 2 bên van bằng cao su có e=0,2m, tỳ lên bàn đệm bằng thép thường

l4



h1

l3

G0

G

Q

P1

W

l2

A

C D I



W1

W2

R



 B

Hình 6-20b. Sơ đồ tính lực mở van cung trên đỉnh đập tràn Bài giải

1.Tính áp lực nước lên van:

­ Thành phần ngang:

h B

W n .

. 2

2 1 1

ở đây lấy n=10 kN/m3; h1=210–200=10,0m; B=12,0m , thay vào được W1= 6000,0 kN;

­ Thành phần đứng: W2 n.(S1S2)B; S1 ­ diện tích phần tam giác ABC(hình 6­20b) ở đây có BC= h1 = 10,0m; AB = h1tg = 5,774m;

87 , 2 28

1

1

1  h AB

S

m2 S2­diện tích hình viên phân ACD:

) 180 sin

2 (

2

2   



 R S

Với R=12,0m;  = 500 ta được S2 = 7,68 m2;

238 Do đó: W2 = 10(28,87 + 7,68) x 12 = 4386,0 kN;

­Áp lực nước tổng hợp:

2 ,

2 7432

2 2

1  

 W W

W kN

­Góc của



Wvới phương ngang là 1 có:

731 , 0

1 2

1  

W tg W

, do đó 1 = 36,20; 2. Lực do trọng lượng van truyền lên gối quay:

Khi mở, trọng lực van G được truyền lên 2 điểm tựa là I và O (hình 6­20b). Theo quy tắc hợp các lực song song, ta có thành phần lực truyền lên gối quay (O) là:

0 , 10 60 1 9 600 1

2 3

0 



 



 









 

 l

G l G

kN 3. Lực tổng hợp tại gối quay:









 G W

Q 0 ;

Góc giữa Wvà G0

là 0 = 1 + 900 = 126,20 Trị số của Q:

9 , 7396 cos

. .

2 0 0

2 0

2  

 W G WG 

Q (kN)

4. Lực mở van: xác định theo công thức(6-20), trong đó

­ Lực để thắng trọng lượng bản thân:

0 , 8 675 .9 600 .

4 3

0   

l G l T

kN;

­ Lực để thắng ma sát tại khớp quay:

4 , 8 69

15 , 0 9 , 7396 5 , 0 . .

4

1   x x 

l r Q

T f kN;

­ Lực để thắng ma sát tại thiết bị kín nước: xác định theo công thức (6­25) trong đó : Hệ số ma sát fc = 0,65;

Bán kính cung: R=12,0m;

Chiều rộng thiết bị chắn :e=0,2m;

Tổng hợp lực do thiết bị chắn tỳ lên bản đệm được xác định theo công thức ; .90

. .

. 



 eh R

P  n c ,

239 trong đó:

hc­cột nước bình quân trên toàn tuyến vật chắn nước, lấy gần đúng: 5,0 2

1 

 h

hc m;

­ góc ở tâm của bản mặt van,  = 50o Thay vào được:

P = 209,3(kN);

205,8

0 , 8

) 1 , 0 0 , 12 ( 3 , 209 65 , 0

2  

 x x

T (kN);

7 , 1072 ) 8 , 205 4 , 69 ( 2 , 1 0 , 675 1 ,

1 1 x  x  

P (kN);

Vậy lực lớn nhất để mở van là :P1=1072,7 kN.

6.3.4. Một số nguyên tắc bố trí và cấu tạo

Cửa van hình cung bao gồm bản chắn nước, hệ thống dầm, càng đỡ và khớp quay (hình 6­22). Hệ thống dầm cũng bố trí theo nguyên tắc ở mọi chỗ bản mặt chịu lực như nhau, các dầm chính chịu lực như nhau để tiện thi công và tận dụng khả năng chịu lực của vật liệu.

b)

Hình 6-22. Sơ đồ cấu tạo của van hình cung.

1. Bản chắn nước; 2. Dầm chính; 3. Dầm phụ; 4. Cột đứng; 5. Càng đỡ; 6. Khớp quay.

4

1 3

2

5 R=9000 6

5550 7500

a)

240

Hình (6­23) biểu thị cách xác định vị trí dầm chính trong trường hợp số dầm chính bằng 2.

Dựa vào sơ đồ áp lực nước tác dụng, chia áp lực đó thành từng phần nhỏ 1, 2, 3...

(hình 6­23a). Vẽ đa giác lực do các lực đó hợp thành. Nối điểm a và b ta được tổng hợp lực W (hình 6­23,b). Chia đoạn ab thành 2 phần bằng nhau ad = db. Từ d kẻ đường vuông góc với ab gặp đa giác lực tại c. Về trị số ta có ac = cb, tức là hai rầm đó chịu lực của nước truyền tới bằng nhau. Từ tâm O kẻ các đường OC // ac, OD // cb ta xác định được phương và vị trí đặt hai dầm chính.

2 1

1

2

Hình 6-23. Sơ đồ xác định vị trí của dầm chính van cung

Đối với hệ thống càng van, chịu áp lực nước từ dầm và cột biên truyền tới, tính toán theo nguyên tắc giàn. Khớp quay là nơi càng tựa lên và quay khi đóng mở cửa. Hình 6­24 biểu thị một số hình thức khớp quay. Trường hợp bán kính van cung R = (1,2  1,5)h1, (trong đó h1

là chiều sâu nước thượng lưu) thì khớp đặt thấp hơn mực nước thượng lưu. Khớp thường đặt cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu để tránh bị han rỉ.

Q

a) b) c)

241

Hình 6-24. Khớp quay của cửa van cung.

a, b) Khớp trụ; c) Khớp cầu.

Loại khớp cầu cấu tạo tương đối phức tạp nhưng có thể chuyển động được theo các chiều khác nhau. Do đó khi các trụ lún không đều trong chừng mực nhất định vẫn không ảnh hưởng tới việc đóng mở cửa. Khớp trụ cấu tạo đơn giản hơn, khi các trụ lún không đều sẽ có ảnh hưởng tới việc đóng mở cửa.

Hình 6-25. Một số thiết bị chắn nước của van cung.

a, b) Chắn nước bên cạnh; c) Chắn nước đáy.