KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Số 15/3-2013 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng 38 NGHIấN CU C CH CN BNG VAN LT T NG THY LC TRC DI Nguyn Thng Bng 1 , Lờ Ngc Thch 2 Túm tt: Bi bỏo trỡnh by kt qu nghiờn cu c ch cõn bng van lt t ng thy lc trc di i vi bi toỏn cõn bng c bn trong iu kin thy tnh. õy l kt qu nghiờn cu mi trong lnh vc thy li v c khớ nc ta. cú th tin ti xõy dng mụ hỡnh thớ nghim thy lc, cn phi tip t c nghiờn cu trong iu kin thy ng v mt s vn khỏc. T khúa: Van lt t ng thy lc trc di Abstract: This article presents the result of the investigation on general balance conditions of hydraulic self-control flap gate in the static pressure conditions. This is a new research result in the fields of water resources and mechanics in our country. In order to set the hydraulic test model, it needs to make more researches specially in the dynamic pressure conditions. Keywords: Hydraulic self-control flap gate Nhn ngy 03/9/2012, chnh sa ngy 16/10/2012, chp nhn ng 30/3/2013 1. S nghiờn cu v u nhc im ca van lt t ng thy lc trc di Hỡnh 1 trỡnh by s cu to ca van lt t ng thy lc trc di [1], [2], [3]. Tờn "Van lt t ng thy lc trc di" l do tỏc gi t, xut phỏt t tờn ting Anh "Hydraulic Self- Control Flap Gate" ang c lp t ph bin Trung Quc v m t s cụng trỡnh thy li-thy in Vit Nam cng nhp loi van ny. Vit Nam, s nguyờn lý van ny cha c nghiờn cu nờn ni dung v kt qu nghiờn cu ca bi bỏo ny l hon ton mi v cn thit trong lnh vc thy li nc ta. G H v 0 P h t0 O Y X A B C D F F h 0 P Hỡnh 1. S cu to van lt t ng thy lc trc di 1 PGS.TS, Vin Khoa hc v Cụng ngh Cụng trỡnh thy, Trng i hc Xõy dng. Email: dhxd@vienctt.com. 2 ThS, Vin Khoa hc v Cụng ngh Cụng trỡnh thy, Trng i hc Xõy dng. KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 15/3-2013 39 Ca van l loi van phng cú chiu cao van (H v ), chiu rng van (B v ) t trờn ngng p trn thc dng hoc nh rng cỏch ỏy sụng mt on P. Ton b phn quay ca van (bao gm tm chn nc, cu kin liờn kt, c cu truyn ng, ) cú trng tõm ký hiu l G. Trng tõm G nm thp hn mộp trờn van, cao hn ngng trn v lch v phớa thng lu ca tõm quay. Trc quay ca van nm cao hn ngng trn, thp hn mộp trờn van v v phớa h lu ca van. Tõm quay c ký hiu l O. H ta XOY i qua tõm quay O. Ngoi ra, cũn b trớ b t FF khng ch gúc m ln nht ca van. Ta trng tõm l (X G ,Y G ), trng tõm G ch nm trong gúc 1/4 th t. Tựy thuc vo mc nc v ỏp lc nc thng lu, iu kin cõn bng ca van s thay i, lỳc ú ca van s thay i m t úng hon ton n m hon ton. Trong quỏ trỡnh thay i m, 3 yu t quan h mt thit vi nhau l ct nc trn (h t ), gúc m van () v tng lu lng x (Q). Nu coi mt trong 3 yu t l bit trc thỡ 2 yu t cũn li l cỏc bin cn xỏc nh. iu kin cõn bng ca van trong quỏ trỡnh lm vic thay i t ng theo din bin ca ct nc trn, do ú gii quyt c quy lut cõn bng ng ca quỏ trỡnh van lm vic l mt trong nhng ni dung nghiờn cu then cht. Trong hỡnh 2 [4], [5], [6] l s van l t t ng trc trờn, loi van ny ó c nghiờn cu v ỏp dng nhiu nc trờn th gii, trong ú cú M, Phỏp v n . Loi van ny cú mt s u im nhng cú mt s nhc im nh: (1) Khụng p vỡ vt i trng t ni trờn; (2) C cu truyn ng cha gn gng vỡ trc quay b trớ phớa trờn cao so vi van; (3) Vt ch n nc rt khú khớt vỡ ỏp lc t khụng ln, lng nc rũ r cao; (4) Khụng thỏo c cõy ci, vt ni; v (5) Khụng khng ch c gúc m ln nht. U v F F x U h U h 0 Hỡnh 2. S cu to van lt t ng thy lc trc trờn Loi van lt t ng thy lc trc di khc phc c nhng nhc im ca van lt thy lc trc trờn, nhng tớnh toỏn thy lc v kt cu s phc tp hn. 2. Cỏc gi thit khi nghiờn cu iu kin cõn bng ca van Khi nghiờn c u iu kin cõn bng ca van lt thy lc t ng trc di i vi bi toỏn c bn, cú th s dng mt s gi thit sau: - Bit trng lng ca ton b van v phn quay l G; - Bit chiu cao van (H v ) v chiu rng van (B v ); - Bit gúc m ban u 0 ( 0 ); - Bit v trớ tõm quay (O) nm trờn ngng trn, phớa h lu van v thp hn 1/2 chiu cao van; - Lp h ta XOY vi gc ta t ti tõm quay O; - Bit trng tõm ca van v phn quay nm trong gúc 1/4 th 4; - Bit kớch thc hỡnh hc ca ca van; - Ch xột ỏp lc thy tnh, cha xột nh hng ca ỏp lc thy ng tỏc dng lờn ca van. Tm b qua nh hng l n nhau ca cỏc module ca van v mt ti trng v cha xột cỏc lc ma sỏt do c cu truyn ng gõy nờn. KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Số 15/3-2013 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng 40 3. Nghiờn cu iu kin cõn bng ca van 3.1 Thụng s nh v ca van thun tin cho vic thit lp cụng thc v lp trỡnh trỡnh tớnh toỏn, cn quy c ỏnh s theo th t cỏc im nh v ca van nh trong hỡnh 3 v cỏc bng 1, 2 v 3. Bng 1. nh ngha cỏc thụng s nh v ca van Ký hiu nh ngha O Tõm quay, ng thi l gc to i i=1,2,3,4: tờn cỏc im nh v ca van Gúc nghiờng ca mt thng lu ca van so vi phng ngang Gúc m ca van (bin thiờn t 0 o n gúc m cc i max) i Gúc nghiờng ban u ca tia Oi so vi phng ngang (i=1,2,3,4) Ri Khong cỏch t tõm quay O ti im i (i=1,2,3,4) X i () Honh ca im i (i=1,2,3,4), ng vi gúc quay ca van Y i () Tung ca im i (i=1,2,3,4), ng vi gúc quay ca van 3 2 1 4 Y X D F F O 0 MNTL h0 bv Z ht P Y X D F F O 3 2 1 4 h t MNTL G P (a) Trng thỏi úng (b) Trng thỏi m Hỡnh 3. Quy c cỏc thụng s nh v ca van Bng 2. Quy c ta ban u cỏc im ca van im X Y Ghi chỳ O X 0 Y 0 Tõm quay, gc ta 1 X 01 Y 01 Mộp thng lu nh 2 X 02 Y 02 Mộp thng lu mt ỏy 3 X 03 Y 03 Mộp h lu mt ỏy 4 X 04 Y 04 Trng tõm ca van KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 15/3-2013 41 Bng 3. Quy c ta cỏc im ca van ng vi gúc m cc i im X Y Ghi chỳ O X 0 Y 0 Tõm quay, gc ta 1 X 11 Y 11 Mộp thng lu nh 2 X 12 Y 12 Mộp thng lu mt ỏy 3 X 13 Y 13 Mộp h lu mt ỏy 4 X 14 Y 14 Trng tõm ca van trong ú cỏc to l tng quỏt trong h trc to XOY, cỏc gúc l gúc lng giỏc. 3.2 Mi quan h gia cỏc i lng a) Cỏc liờn h ban u Y 01 Y 02 = h 0 .Cos. Khi = 90 o : Y 01 Y 02 = h 0 X 01 X 02 = h 0 . Sin. Khi = 90 o : X 01 X 02 = 0 (1) b) Cụng thc xỏc nh ta cỏc im khi ca van quay Gi s ca van quay v h lu mt gúc , tc l gúc - theo quy c gúc lng giỏc, to cỏc im c xỏc nh theo cụng thc sau: X i () = R i .Cos ( i +) Y i () = R i .Sin ( i +), (i=1,2,3,4) (2) 3.3 Xỏc nh cỏc lc tỏc dng lờn ca van ng vi gúc m S tớnh toỏn: tớnh toỏn cho 1m di ca van, trng lng phn quay ca ca van c tớnh vi trng lng n v G = G ton b /B van (T/m), ỏp lc nc c tớnh cho 1m chiu di van. Mt s quy c sau õy c s dng xỏc nh cỏc lc tỏc dng lờn ca van ng vi gúc m no ú. H n v s dng trong tớnh toỏn: Lc l tn (T), di l một (m); Cỏc thụng s nh v ca van nh trong mc 3.1; V s tỏc dng ca cỏc lc v quy c v du nh trong hỡnh 4 v hỡnh 5. Y X D F F O 3 2 1 4 h t Wh Ywh Wd Xwd X4 Wu Xwu MNTL G Z P Hỡnh 4. S lc tỏc dng khi ca van quay, MNTL cao hn im 1 KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Số 15/3-2013 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng 42 Y X D F F O 3 2 1 4 h t Wh Ywh Wd Xwd X4 Wu Xwu MNTL G Z P Hỡnh 5. S lc tỏc dng khi ca van quay, MNTL thp hn im 1 a)Trng lng bn thõn ca van G (T/m) Trng lng bn thõn ca van tớnh vi tt c cỏc b phn thuc phn quay ca van, bao gm: - Mt ca van bng bờ tụng ct thộp, cỏc mộp xung quanh c bo bi thộp hỡnh. - Dm mt ca van, cú tỏc dng truyn ti trng tỏc dng vo ca van lờn 2 bỏnh xe tr (thụng thng mi van c cu to 2 dm). - Thanh thộp hỡnh nm mt sau dm , tip xỳc trc tip vi bỏnh xe tr . Do tớnh toỏn vi s phng cho nờn tng trng lng ca van c chia cho chiu rng 1 mụ un ca van: G = G ton b /B van (T/m). Cỏnh tay ũn ti tõm quay: X4() = R4.Cos(i+) (3) Mụ men i vi tõm quay: M G () = G.R4.Cos(i+) (4) b) p lc thy tnh phng ngang tỏc dng lờn 1m di mt van W h (T/m) * Giỏ tr lc (W h ) v cỏnh tay ũn ti tõm quay (Y w ) + Nu Z Y 1 (),biu ỏp lc thy tnh cú dng hỡnh thang (hỡnh 4): [] [] )()( 2 )()( )()( 2 )()( 3311 3311 31 31 ++ +++ = + = SinRSinR SinRSinR Z YY YY ZW n nh (5) () ( ) ( ) () () ( ) ( ) () () () () () () () 1313 333 13 11 33 11 33 11 33 32 .Sin 23 3 2 Sin Sin Sin Sin . 2Sin Sin 3 Wh ZY Y Y Y YY R ZY Y ZR R R R ZR R =+ = ++ + + + + + + + (6) + Nu Z < Y 1 (), biu ỏp lc thu tnh cú dng hỡnh tam giỏc (hỡnh 5): KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng Sè 15/3-2013 43 [][] 2 )( 2 )( 2 33 2 3 θβ γ θ γ +− −= − −= SinRZYZ W nnh (7) () ( ) () ( ) 333 333 Sin Sin 33 Wh ZY ZR YY R θβ θ θβθ −−+ =+ = ++ (8) * Mô men đối với tâm quay M Wh (θ) =W h .Y Wh (9) c ) Trọng lượng nước trên 1m dài cửa van W d (T/m) * Giá trị lực và cánh tay đòn tới tâm quay + Nếu Z ≥ Y 1 (θ), biểu đồ trọng lượng nước có dạng hình thang (hình 4): [] [] )()( 2 )()( )()( 2 )()( 2211 3211 21 21 θβθβ θβθβ γ θθ θθ γ +−+ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +++ −= − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + −= CosRCosR SinRSinR Z XX YY ZW n nd (10) () () () () () ( ) ( ) () () () () () () () 121 2 2 12 11 22 1 1 2 2 22 11 22 32 . 23 32Sin Sin Cos Cos Cos . 2Sin Sin 3 Wd ZY Y X X XX ZY Y ZR R R R R ZR R θθθ θ θ θθ β θ β θ β θ β θ βθ βθ βθ −− =+ − + −+ +− + =++ +− + − − − − (11) + Nếu Z < Y 1 (θ), biểu đồ trọng lượng nước có dạng hình tam giác (hình 5): [][] [] [][ ] [] )()( )()( )(.)( 2 1 )()( )()( )(.)( 2 1 2211 1122 2211 21 12 21 θβθβ θβθβ θβθβ γ θθ θθ θ θ γ +−+ +−+ +−+− = − − −− = CosRCosR SinRSinR SinRZSinRZ XX YY YZYZ W n nd (12) () ( ) () ( ) ( ) () () () () () () () () () () () 112 2 21 11 1 1 2 2 22 22 11 . 1 . 3 Sin . C Cos 1 Cos . 3SinSin os Wd ZY X X XX YY ZR R R R RR θθθ θ θθ β θβθβθ βθ βθ βθ −− =+ − −+ +− + =++ +− + (13) * Mô men đối với tâm quay M Wd (θ) = W d .X Wd (14) d) Áp lực đẩy ngược dưới đáy cửa van (Wu) * Giá trị lực và cánh tay đòn tới tâm quay + Khi θ = 0: áp lực đẩy ngược dưới đáy cửa van tính như sau: )).(( 2 1 020302 XXYZW nu −−= γ (15) 03 02 03 02 02 2 33 Wu X XX X XX −+ =+ = (16) + Khi θ > 0: áp lực đẩy ngược xác định theo công thức: KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG Sè 15/3-2013 T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng 44 [] [] )()(. 2 )()( )()(. 2 )()( 2233 3322 23 32 θβθβ θβθβ γ θθ θθ γ +−+ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +++ −= − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + −= CosRCosR SinRSinR Z XX YY ZW n nu (17) () ( ) ( ) () () ( ) ( ) () () () () () () () 233 2 2 22 23 22 33 3 3 2 2 22 33 32 .Cos 23 3 2 Sin Sin Cos Cos . 2Sin Sin 3 Wu ZY Y X X XX R ZY Y ZR R R R ZR R θθθ θ θβθ θθ β θβθβθ βθ βθ βθ −− − =+ = ++ ++ −+−+ +−+ + −+−+ (18) * Mô men đối với tâm quay M Wu (θ) = W u .X Wu (19) 3.4 Xây dựng lý thuyết giải bài toán cân bằng cửa van a) Quan hệ giữa trạng thái cửa van với tổng mô men Mo Trạng thái của cửa van phụ thuộc M 0 (tổng mô men của tất cả các lực đối với tâm O) được quy ước như sau: Bảng 4. Quy ước về trạng thái của cửa van theo M 0 Tổng mô men Điều kiện Trạng thái cửa van “ = 0 ” Cân bằng (M d =M m ) “ > 0 “ Lật về phía Thượng lưu, xu hướng đóng cửa van (M d >M m ) M 0 “ < 0 “ Lật về phía Hạ lưu, xu hướng mở cửa van (M d <M m ) b) Phương trình cân bằng tổng quát 4W .W. . . 0 ddhWhUWu Mo G X X W Y W Y=+ + + = Hay: M d - M m = 0; 4W .W.; . . dddmhWhUWu M GX X M W Y W Y=+ =− − (20) trong đó M d và M m theo thứ tự là tổng mô men gây đóng và mở cửa van; các lực và cánh tay đòn được xác định từ các công thức (5) đến (18). Ở dạng tổng quát phương trình (20) có ít nhất là 3 ẩn số là: Các thông số định vị ban đầu cửa van và trọng lượng bản thân cửa van; Mực nước thượng lưu; Và góc mở θ. Như vậy, để giải được phương trình cân bằng cần phải giới hạn điều kiện biên để đưa phương trình chỉ còn 1 ẩn số. Các bài toán giới hạn điều kiện biên có thể là: Giả thiết cấu tạo cửa van, góc quay θ; Tìm MNTL; Giả thiết cấu tạo cửa van, MNTL;Tìm góc quay θ; Và khống chế MNTL, góc mở θ; thử dần kích thước cửa van để xác định trọng lượng G. 4. Viết chương trình và kiểm tra chương trình Chương trình tính toán cân bằng cửa van lật tự động được đặt tên "CVLTĐ2011" Từ phần lý thuyết được xây dựng ở trên, đã lập chương trình tính toán để giải các bài toán cân bằng cửa van. KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 15/3-2013 45 S liu u vo bao gm: kớch thc hỡnh hc ca van, trng lng ca van; MNDBT; tu thuc tng bi toỏn c th s nhp thờm cỏc giỏ tr MNTL hoc gúc quay . Cỏc bi toỏn v kt qu tớnh toỏn: Xỏc nh to cỏc im nh v khi gúc quay ca van thay i; Tớnh toỏn cỏc ti trng, cỏnh tay ũn, mụ men i vi tõm O; Xỏc nh MNBDM; Xỏc nh gúc m ln nht ca van t úng khi MNTL h xung MNDBT; V lp ng quan h Mo ph thuc gúc quay khi MNTL thay i. Ngoi ra, chng trỡnh cũn cho phộp kho sỏt nhiu trng hp cú th ti u cỏc thụng s: hỡnh dng v khi lng ca van, gúc m ti a, hoc cỏc thụng s liờn quan ti bi toỏn iu tit l. Chng trỡnh c ỏp dng vo tớnh toỏn cho mt thớ d c th vi Cụng trỡnh thy in Sui Trỏng, huyn Cao Phong, tnh Hũa Bỡnh (hỡnh 6). Hỡnh 6. S hỡnh hc mt ct ngang ca van - Thụng s hỡnh hc mt ct ngang nh hỡnh v vi B van = 6m; - Tng trng lng ca van (phn quay): G ton b = 8.66 Tn, trng lng xột trờn 1m din trn G = 1.443 T/m. Minh ha kt qu tớnh toỏn xỏc nh ta cỏc im, lc tỏc dng, cỏnh tay ũn, mụ men, trng thỏi cõn bng ca van t chng trỡnh: Bng 5. Kt qu tớnh toỏn t chng trỡnh i vi cụng trỡnh Sui Trỏng TT MNTL Z X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3 X4 Y4 1 2.00 1.590 48.45 0.475 1.861 -1.022 0.535 -0.889 0.385 -0.223 1.061 2 2.50 2.093 0.00 -1.078 1.590 -1.078 -0.410 -0.878 -0.410 -0.942 0.537 3 2.30 1.890 10.00 -0.786 1.753 -1.133 -0.217 -0.936 -0.251 -0.834 0.693 4 2.70 2.290 30.00 -0.139 1.916 -1.139 0.184 -0.965 0.084 -0.547 0.936 TT G X G Wh Ywh Wd Xwd Wu Xwu M O TT cõn bng 1 -1.443 -0.223 -0.726 0.787 -0.628 -0.625 0.150 -0.954 0.000 Cõn bng 2 -1.443 -0.942 -3.007 0.368 0.000 -1.078 0.250 -1.011 0.000 Cõn bng 3 -1.443 -0.834 -2.283 0.457 -0.390 -1.010 0.418 -1.034 0.122 Lt v TL 4 -1.443 -0.547 -2.363 0.783 -1.240 -0.755 0.373 -1.051 -0.518 Lt v HL KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Số 15/3-2013 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng 46 Hỡnh 7. S ti trng t chng trỡnh tớnh toỏn 5. Kt lun Ni dung nghiờn cu ny l mi nc ta, kt qu nghiờn cu m bo tớnh lụ gic v tớnh khoa hc, tuy nhiờn cũn mt s vn cha c nghiờn cu chi tit, bi toỏn cõn bng ng ca van cng cũn phi tip tc nghiờn cu. Cỏc vn cn tip tc nghiờn cu: Tớnh toỏn kh nng thỏo v iu kin cõn bng trong iu kin thy ng; Xột n nh hng ca mc nc h lu n van; Nghiờn cu v vt liu ch to van; Xõy dng mụ hỡnh thớ nghim thy lc; V xõy dng k hoch sn xut th. Ti liu tham kho 1. Vin KH&CN Cụng trỡnh thy, (8/2009). Thit k k thut - bn v thi cụng cụng trỡnh thy in Sui Trỏng, huyn Cao Phong, tnh Hũa Bỡnh, 2. Vi n KH&CN Cụng trỡnh thy, (10/2010). Thit k k thut - bn v thi cụng cụng trỡnh thy in T Li 2 - huyn Bỏt Xỏt, tnh Lo Cai. 3. V Hong Hng, Ca van sp t ng khng ch thy lc, trng H thy li H Ni 4. M. Leite Ribeiro, "Le Barrage de St-Marc - Etude sur modốle des esvacuateurs de crue", Tp chớ EDF - Electriccitộ de France. 5. Xavier Litrico, Gilles Belaud, Jean-Pierre Baume, and Josộ Ribot-Bruno, (5/2005). Hydraulic Modeling of an Automatic Upstream Water-Level Control Gate", Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 6. Charles M. Burt, Member, ASCE, Russdon Angold, Mike Lehmkuhl, and Stuart Styles, Member, "Flap Gate Design for Automatic Upstream Canal Water Level Control", ASCE. . (14) d) Áp lực đẩy ngược dưới đáy cửa van (Wu) * Giá trị lực và cánh tay đòn tới tâm quay + Khi θ = 0: áp lực đẩy ngược dưới đáy cửa van tính như. KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 15/3-2013 39 Ca van l loi van phng cú chiu cao van (H v ), chiu rng van (B v )