Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo Chương HỆ THỐNG CẤP THÁO NƯỚC VÀ TÍNH TỐN THUỶ LỰC KHI CẤP THÁO PHẦN A: HỆ THỐNG CẤP THÁO NƯỚC 4.1 Tính chất hệ thống cấp tháo nước 4.1.1 Định nghĩa: Hệ thống cấp tháo nước tất thiết bị cấu tạo âu nhằm phục vụ cho việc cấp tháo nước buồng âu Người ta gọi hệ thống cấp tháo nước hệ thống ống dẫn nước 4.1.2 Phân loại: Tuỳ theo cách bố trí ống dẫn nước mà ta chia làm hai loại: + Hệ thống cấp tháo nước tập trung: việc cấp tháo nước thực đầu âu.(Hình 4.1) + Hệ thống cấp tháo nước phân tán: việc cấp tháo nước thực tồn chiều dài âu (hình 4.2) Hình 1: Hệ thống cấp tháo nước tập trung 1- Cửa âu 3- Cống dẫn nước 2- Cửa âu 4-Van đóng mở Hình 2: Hệ thống cấp tháo nước phân tán 1- Cửa âu 3-Cống dẫn nước 2- Cửa âu 4-Van cấp tháo Tuỳ theo kết cấu cách bố trí ống dẫn nước mà loại lại phân loại khác 4.1.3 Tính chất thuỷ lực hệ thống cấp tháo nước 4-1 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo Khi cấp tháo nước, mực nước buồng âu dâng lên thụt xuống dần Lưu lượng dọc theo chiều dài buồng âu khác nhau, vận tốc dòng nước khác Lưu lượng chảy qua hệ thống cấp tháo nước thay đổi dần, dòng nước chảy hệ thống cấp tháo nước dịng chảy khơng đều, khơng ổn định, cộng với tượng thuỷ lực cục gây nên lực thuỷ động tàu đỗ buồng âu tàu nằm kênh dắt tàu, tàu đậu âu cấp tháo nước phải buộc vào trụ buộc tàu cố định di động Chú ý: - Khi cấp nước vào buồng âu phải cuộn ngắn dây buộc lại để tàu không bị lỏng mức - Khi tháo nước khỏi buồng âu phải nới dây để tàu khỏi bị treo lơ lửng, dây đứt trọng lượng tàu - Khi buộc tàu vào trụ di động, cấp tháo nước trụ tàu lên xuống theo mực nước, lúc tàu chịu lực ngang phần lực nghiêng - Tuỳ theo khoảng cách dự trữ tường buồng âu tàu ta buộc tàu hai bên bên (hình 4.3) Hình 3: Buộc tàu vào trụ cố định Tiêu chuẩn đánh giá độ an toàn cho tàu bè qua âu, vận tốc hợp lý, phương pháp cấp tháo nước thích hợp độ lớn lực nằm ngang tác dụng lên tàu Các lực tạo lên động dịng nước cấp tháo, sóng, độ dốc mặt nước tượng khác (nói chung tượng thuỷ lực) Các lực tác dụng vào tàu đỗ âu phân chia thành hai thành phần: + Thành phần lực dọc: song song với trục âu + Thành phần lực ngang: vng góc với trục âu Do tác dụng thành phần lực mà tàu không neo buộc cẩn thận bị lắc chuyển động, tàu va vào tường buồng âu xô vào cửa âu, làm hỏng trang thiết bị cửa âu, chí hỏng tàu Để tránh nguy hiểm ta phải giới hạn chuyển dịch tàu Khi đánh giá độ an toàn tàu bè qua âu người ta lấy thành phần lực dọc làm bản, gây nên chuyển động theo hướng va vào tàu khác va vào trang thiết bị nhạy cảm âu (cửa), thành phần lực ngang thường chặn lại kết cấu đệm chống va, gây ảnh hưởng đến sức căng dây buộc tàu 4-2 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo Khi cấp tháo nước buồng âu, chiều tác dụng lực dọc thay đổi nên tàu phải neo buộc dây, dây chống chuyển động phía thượng lưu, dây chống chuyển động phía hạ lưu Mỗi dây buộc tàu phải có khả chịu lực tác dụng lớn (vì thời điểm đó, lực thuỷ động truyền tới 90% vào dây buộc tàu) Độ lớn lực kéo dây buộc tàu không phụ thuộc vào chế độ thuỷ lực cấp tháo nước, mà phụ thuộc vào phương pháp buộc tàu, kiểu thiết bị buộc tàu Do ảnh hưởng lực quán tính tàu chuyển động, lực dọc ban đầu tăng lên lực kéo dây buộc tàu tăng theo Theo kết đo thực tế số âu tàu (Tiệp Khắc, Liên Xơ cũ) lực qn tính chuyển động tàu phát sinh 20% thường khơng vượt q 30 ÷ 34% giá trị lực dọc ban đầu tác dụng lên tàu Như lực dọc lớn là: P' = 1,34P (4-1) Lực kéo dây buộc tàu luôn lớn lực dọc P' dây buộc tàu tạo với 1,35P trục âu góc α: R = cos α Góc α có giá trị từ 20 ÷ 400, lực kéo lớn dây buộc tàu là: R max = 1,35P 1,35P = = 1,75P cosα max cos 400 (4-2) Khi đánh giá điều kiện an toàn cho tàu bè qua âu, thực tế có quan điểm chung giá trị lực kéo lớn dây buộc tàu không vượt giá trị cho phép Rcf Rcf hàm số trọng tải tàu W Quan hệ Rcf trọng tải tàu biểu thị phương trình: W Rcf = -> Rcf = R W R (4-3) Giá trị tuyệt đối lực kéo cho phép Rcf dây buộc tàu lớn lên trọng tải tàu lớn lên, giá trị tương đối Rcf W ngược lại (sẽ bé đi) Quan hệ biểu thị công thức thực nghiệm 1 ⎡1⎤ = =⎢ ⎥ R 205 W ⎣ n ⎦ (4-4) n: số dây buộc tàu Quan hệ (4-4) biểu diễn hình (4.4) 4-3 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo Hình 4: Quan hệ 1 ≈ R 20 W Dựa vào tài liệu thực đo ( N.A Sêmanốp) tìm lực kéo dây buộc tàu là: R = α3 W (4-4) α: hệ số thay đổi với âu khác nhau: α = 0,013 ÷ 0,031 4.1.4 Lực dọc P tác dụng lên tàu âu Lực dọc P tác dụng lên tàu âu xác định: P = P + P2 + P (4-6) 4.1.4.1 Thành phần P1: Thành phần P1 có tác dụng dịng nước: Dòng nước chảy vào âu theo hướng từ đầu tàu dọc thân tàu đến cuối tàu dọc đáy tàu, thành phần tạo nên lực cản đường dịng tàu Sử dụng cơng thức Zvơncốp: ⎛ Q ⎞ P1 = k Ot ⎜ ⎟ ⎝ fa − ft ⎠ 1,83 + ϕ δ f t Q2 f a2 (T) (4-7) Trong đó: k: hệ số ma sát nước với bề mặt tàu k = 0,17.10-3 tàu vỏ thép k = 0,24.10-3 tàu vỏ gỗ δ: hệ số chỗ đẩy tàu δ = 0,94 tàu chạy chậm δ = 0,60 tàu chạy nhanh ϕ: hệ số lực cản hình dạng tàu ϕ = 8.10-3 tàu mũi tù ϕ = 10,4.10-3 tàu mũi nhọn 4-4 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo ft: diện tích mặt cắt ngang lớn tàu chìm nước (m2) fa: diện tích mặt cắt ngang đầy nước âu (m2) Q: lưu lượng chảy đến tức thời vào buồng âu (m3/s) Ot: diện tích bề mặt ướt tàu (m2) Ot= Lt (1,9.S + T.Bt) + Lt, Bt: chiều dài, chiều rộng tàu (m) + T: mớn nước tàu (m) + S: độ chìm tàu (theo phương dọc) Giá trị P1max đạt có Qmax âu Khi tháo nước buồng âu thành phần P1 nhỏ cấp nước, phương trình (3-8) thành phần thứ (Lực cản trở hình dạng tàu) 1,83 ⎛ Q ⎞ P1 = k Ot ⎜ ⎟ ⎜f −f ⎟ t ⎠ ⎝ a t (4-8) 4.1.4.2 Thành phần P2: Thành phần lực dọc P2 tạo nên độ dốc mặt nước âu Độ dốc mặt nước xuất nguyên nhân khác Khi dòng nước chảy vào âu (trong khoảng thời gian định) kết thay đổi động thành tạo thành độ dốc mặt nước (tại cuối buồng âu mực nước cao đầu buồng âu -nơi nước chảy vào) Thành phần lực dọc P2 xác định theo cơng thức: P2 = W.I (T) (4-9) Trong đó: W: trọng tải tàu (T) I= Δh : Độ dốc mặt nước âu Lb Độ chênh lệch mực nước Δh đầu cuối buồng âu với phương pháp cấp nước trực tiếp ta tính gần chiều cao vận tốc Δh = V1 đầu âu Còn cuối buồng 2g âu vận tốc dòng nước không động giảm đến giá trị không Thành phần lực dọc P2 tác dụng ngược chiều so với P1, P2 đạt giá trị max có lượng đường dịng Emax chảy vào âu ( Không trùng với Qmax) 4.1.4.3 Thành phần P3: Khi cấp tháo nước âu tàu, kênh dắt tàu thượng, hạ lưu xuất sóng (tạo nên thay đổi lưu tốc tức thời) Ở ta giới hạn xét sóng âu nguy hiểm nhiều so với sóng kênh dắt tàu Để tính sóng âu tàu ta xét trường hợp nước chảy vào (hoặc chảy ra) tập trung đầu âu Mỗi lưu tốc thay đổi sinh sóng, sóng 4-5 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo chuyển động từ đầu (mà nước chảy vào chảy ra) đến đầu kia, sóng đập vào cửa quay trở lại Như khối nước âu thời gian cấp tháo nước xê dịch, tổn thất ma sát xoáy nước nhỏ nên bỏ qua, có tàu âu nên có tác dụng phá sóng, âu xảy tình trạng phức tạp dịng chảy, đại lượng gây nên tình trạng phức tạp phụ thuộc vào vị trí tàu âu, diện tích tàu chiếm chỗ Các tượng sóng âu có tàu thử nghiệm ít, phép tính lực dọc tác dụng lên tàu gần a Thành phần P3 mở van cấp đột ngột η Hình 5: Sự xuất sóng mở van đột ngột Khi mở van đột ngột, lưu lượng dòng nước tập trung chảy vào âu nhanh chóng tăng từ giá trị Q = đến Qmax Trong âu xuất sóng có chiều cao η: Qmax η = Bb c (4-10) Vận tốc truyền sóng c xác định từ phương trình Lagrange: C = g S b ± v (4-11) Trong đó: Bb: chiều rộng buồng âu (m) Sb: độ sâu buồng âu (m) v: vận tốc trung bình dịng nước âu tạo thành sóng (m/s) g: gia tốc trọng trường(m/s) Nếu thay Qmax = μ s ω 2gH , chiều cao sóng là: η= μ s ω 2gH Bb g S b = μ s ω H Bb S b (4-12) Khi sóng đập vào mũi tàu, phần bật trở lại tạo nên nâng cao thêm sóng truyền dọc theo tàu thành giá trị η': η' = m.η (4-13) Giá trị gần m tính theo cơng thức: 4-6 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo m= 1+ 1− ft fa (4-14) Vận tốc truyền sóng dọc tàu xác định biểu thức: c' = g hao (4-14) hảo = f a − f t - Độ sâu ảo nước đoạn tàu đỗ Bb − B t Thành phần lực dọc P3 tạo nên tác động sóng là: P3= ψ.Bt S t m.η = 2B t S t 1+ 1+ ft fa μ s ω Bb 2H Sb (4-16) Trong đó: St: diện tích vỏ tàu chìm ψ: độ chìm khung tàu, thường lấy = b Thành phần lực dọc P3 mở van liên tục Khi mở van liên tục ta coi thay đổi từ từ dòng nước chảy vào âu hàng loạt thay đổi phần tử dQ nối tiếp nhau, mà từ tạo nên phần tử sóng có chiều cao dη dη dη dη Hình 6: Sóng cấp nước với độ dốc dọc Bằng cách nối phần tử sóng lại ta có sóng với độ dốc dọc I xác định từ phương trình: I= dQ dη dQ = = c d t B b g S b g S b d t g f a d t (4-17) Ở đây: fa = Bb Sb η= Q = Bb c Q Bb g S b Độ dốc dọc I' sóng dọc theo tàu có xét tới thay đổi vận tốc truyền sóng là: 4-7 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo I'= dQ g( f a − f t ) d t (4-18) Độ dốc dọc mặt nước I' lớn thời điểm sóng đầu đập vào cửa âu, pha sóng va vào cửa âu độ dốc giảm dần Thành phần dQ ( Độ tăng lưu lượng buồng âu) ảnh hưởng đến độ dốc I' dt Ngoài thành phần (fa - ft) ảnh hưởng đến I' Giá trị (fa - ft) nhỏ nước buồng âu nhất, tức lúc bắt đầu cấp nước - có dQ max Lúc I' đạt giá trị dt max I 'max = ⎛ dQ ⎞ ⎜ ⎟ g ( f a − f t ) ⎝ dt ⎠ max (4-19) Thành phần lực dọc P3 là: P3max = W.I'max (4-20) c Thành phần lực dọc P3 cấp tháo nước hệ thống ống dẫn trung dài: Khi cấp tháo nước buồng âu hệ thống ống dẫn trung dài dòng nước vào âu phân bố dọc theo chiều dài buồng âu Nếu bố trí kỹ thuật cửa (để đường dịng phân chia đều) lực dọc tác dụng lên tầu nhỏ Độ lớn lực dọc P3max bằng: P3max = ⎡ ⎛P ⎞ ⎛P ⎞⎤ w ⎢ f i 2g⎜ i − h⎟ − f m 2g⎜ m − h⎟ ⎥ ∑⎢ ⎝γ ⎠ ⎝ γ ⎠ ⎥ g( f a − f t ) i =i ⎣ ⎦ m (4-21) Trong đó: Pi: áp suất dư ống dẫn cửa thứ i fi: diện tích cửa thứ i Pm: áp suất dư đầu ống dẫn fm: diện tích cửa đầu ống dẫn Thành phần lớn lực dọc P P3, chiếm khoảng (80 ÷ 84%) P, thành phần lực dọc khơng đạt giá trị cực đại lúc, thường P1 P2 nhỏ phân tích xuất tác động chúng, người ta giả thiết chúng tác dụng ngược chiều nhau, triệt tiêu lẫn nhau, đó: Pmax = P3max = W.I'max = W ⎛ dQ ⎞ ⎜ ⎟ g ( f a − f t ) ⎝ dt ⎠ max (4-22) Độ lớn thành phần lực dọc phụ thuộc vào: + Vận tốc phương pháp cấp tháo nước + Các kích thước buồng âu + Tỷ lệ kích thước buồng âu hình dáng tàu Chú ý: - Lực dọc P nhỏ dòng cấp tháo phân bố theo chiều dài buồng âu 4-8 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo - Lực dọc Pmax đường dòng cấp tháo nước tập trung đầu âu (trường hợp cấp tháo nước trực tiếp cống dẫn ngắn) - Khi xác định độ lớn thành phần lực P ta phải tính cho trường hợp bất lợi 4.2 Những yêu cầu hệ thống cấp tháo nước 1- Phải đảm bảo cấp đầy tháo cạn buồng âu thời gian qui định ứng với số lượng tàu qua âu 2- Việc cấp tháo nước phải tiến hành thời gian phù hợp với điều kiện đậu tàu điều kiện lại tàu buồng âu kênh dắt tàu Để đảm bảo yêu cầu R < Rcf Trong đó: R: lực kéo xuất dây buộc tàu tác động lực thuỷ động P Rcf: lực kéo cho phép dây buộc tàu 3- Lưu tốc dòng nước kênh dắt tàu cần hạn chế phạm vi định tuỳ theo công suất tàu kéo điều kiện luồng lạch để đảm bảo vận tải đườn dắt tàu thuận lợi Thông thường lưu tốc dòng nước nhỏ vận tốc tàu chạy (0,4 ÷0,5 m/s) lái tàu dễ dàng Ví dụ: tốc độ tàu chạy ÷ km/h (1,1 ÷ 1,4 m/s) lưu tốc lớn dịng nước 0,7 ÷ 1,0 m/s 4- Khi tàu đậu âu phải giới hạn vận tốc lên xuống mực nước buồng âu Vlên, xuống ≤ 0.04 ÷ 0.06 m/s Nếu khơng ý điều kiện âu nhỏ dùng cột neo tàu cố định tường buồng âu, tàu bị treo dây neo đứt gây tai nạn cho tàu Chú ý: Ở âu tàu lớn dùng trụ neo di động ta khơng cần xét đến điều kiện 5- Cần đảm bảo kết cấu âu tàu không bị hư hỏng, đáy âu đường dắt tàu khơng bị xói lở, cửa van khơng bị chấn động xâm thực làm hỏng Để đảm bảo điều kiện yêu cầu vận tốc dòng nước tháo khơng lớn vận tốc dịng nước cho phép khơng xói lở: Vt < Vkx Trị số Vkx lấy theo bảng: Bảng 4.1: Vận tốc khơng xói Địa chất đáy - Cát nhỏ - Cát nhỏ - Cát trung bình - Cát khơ - Đá dăm nhỏ Vkx (m/s) 0,34 - 0,40 0,40 ÷ 0,50 0,50 - 0,60 0,60 - 0,70 0,80 - 0,90 4-9 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo - Á sét yếu - Á sét - Á sét nhẹ - Á sét trung bình - Sét mềm - Sét trung bình 0,70 - 0,80 0,90 - 1,0 0,7 - 0,80 1,0 - 1,20 0,7 - 0,80 1,20 - 1,40 Đối với đất sét chắc, đất nửa đá đá vận tốc trung bình dịng nước kênh dắt tàu thường giới hạn khơng phải điều kiện xói lở mà điều kiện chuyển động tàu Nói chung để đảm bảo yêu cầu hệ thống cấp tháo nước nêu cần có số biện pháp sau: + Khi cấp tháo, nước phải phân bố toàn chiều dài, chiều rộng buồng âu + Dùng cấu tạo tiêu để tiêu hao bớt lượng dòng nước trước vào khỏi âu + Khi mở van ống dẫn nước phải mở từ từ để mực nước tăng lên rút xuống 4.3 Hệ thống cấp tháo nước tập trung Hệ thống cấp tháo nước tập trung gọi hệ thống cấp tháo nước đầu âu, hệ thống đặc trưng chỗ nước vào buồng âu khỏi buồng âu thực đầu âu với hình thức khác như: + Cấp tháo nước qua lỗ cửa âu + Qua cống ngắn vòng qua cửa âu + Qua cống ngầm cửa âu + Qua khe cửa âu 4.3.1 Hệ thống cấp tháo nước cống dẫn 4.3.1.1 Loại có cống dẫn nằm mặt phẳng ngang Loại sử dụng rộng rãi, theo đà phát triển loại âu tàu đá bê tơng Cống dẫn ngắn vịng qua cửa âu xuyên qua tường âu, cửa có cửa (hình 4.1) hay nhiều cửa (hình 4.7) Nói chung loại thường xây dựng với âu tàu có cột nước nhỏ H≤ 4m Hình 7: Cống dẫn nước mặt phẳng ngang 1- Cửa âu 3-Cửa âu 4-10 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo - Khi tháo nước: Mực nước hạ lưu ổn định, mực nước Âu giảm dần: y (t ) = y − (H − H t (t ) ) (4-43) Trong đó: y0- Mực nước ban đầu Âu, mực nước thượng lưu H- Mực nước chênh lệch ban đầu 4.10.2.4 Lưu lượng: Theo công thức Q(t ) = ω.μ t (t ) g.H t (t ) ⎛ μ.ω g H t (t ) = ⎜ H − ⎜ 2.C ⎝ tính lưu lượng ống cấp tháo nước (4-32): với công thức vừa xây dựng (4-41): ⎞ t ⎟ ⎟ ⎠ Áp dụng cho trường hợp mở van đột ngột ( μ = const ) ta có: ⎛ μ.ω g Q(t ) = ω.μ g ⎜ H − ⎜ 2.C ⎝ ⎞ t ⎟ ⎟ ⎠ (4-44) 4.10.2.5 Độ biến thiên lưu lượng: Từ công thức xác địn lưu lượng đạo hàm bậc ta có biến thiên lưu lượng ống cấp tháo nước: dQ(t ) μ ω g =− = const dt C (4-44) 4.10.2.6 Năng lượng dòng chảy (tỷ năng): Theo phần nguyên lý trình bày ta có lượng dịng chảy cấo tháo đơn vị thời gian: ⎛ μ.ω g e(t ) = γ.Q(t ).H t (t ) = γ.μ.ω g ⎜ H − ⎜ 2.C ⎝ ⎞ t ⎟ ⎟ ⎠ (4-46) 4-31 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo e, Q, H t , μ, dQ, y1 , y2 y2 = y 2(t) mntl H t = H t (t) H H y1 = y 1(t) e = e (t) Q = Q (t) mnhl μ = const t dQ = const dt Hình 25: Đường đặc tính thuỷ lực cho trường hợp mở van đột ngột 4.10.3 Đường đặc tính thuỷ lực cho trường hợp mở van từ từ: Sau ta xây dựng đường đặc tính thủy lực cho trường hợp mở van từ từ để hệ số lưu lượng thay đổi theo đường thẳng: μ t (t ) = a.t , ta có: 4.10.3.1 Tốc độ đóng mở van n: 4.10.3.2 Hệ số lưu lượng: Do mở van để hệ số lưu lượng thay đổi tuyến tính: μ t (t ) = a.t Xác định a: Là hệ số cho sau thời gian tm hệ số lưu lượng μt(t) tăng tới giá trị lớn μ: a = μ tm ⎧μ ⎪ t ≤ t < t m Vậy: μ (t ) = ⎨ t m ⎪μ t ≤ t ≤ T m ⎩ 4.10.3.3 Cột nước chênh lệch - Mực nước: ⎞ ⎛ ω 2g t ⎜ H − Theo công thức xác định cột nước chênh lệch (4-40): H t = ∫ μ t dt ⎟ áp ⎟ ⎜ 2.C ⎠ ⎝ μ dụng cho trường hợp xét mở van từ từ ( μ t (t ) = t ) ta có: tm - Trong thời gian: ≤ t < t m t t μ μ t2 tdt = t tm m ∫ μ t dt = ∫ 4-32 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo ⎛ ω 2g μ t ⎞ ⎟ ⇒ H t (t ) = ⎜ H − ⎜ 2.C t m ⎟ ⎠ ⎝ - Tại thời điểm vừa mở van xong: t=tm ⎛ μ.ω g t m ⎞ ⎟ H m = H t (t m ) = ⎜ H − ⎜ 2.C 2⎟ ⎠ ⎝ (4-47) - Trong thời gian: t m ≤ t ≤ T t ⎛ ⎞ ⎜ H − ω g μ dt ⎟ Áp dụng cơng thức (4-40) ta có: H t (t ) = m t ⎜ ⎟ 2.C t∫ m ⎝ ⎠ t t tm tm Mặt khác: ∫ μ t dt = ∫ μdt = μ.(t − t m ) ⎞ ⎛ ω 2g μ.(t − t m ) ⎟ ⇒ H t (t ) = ⎜ H m − ⎟ ⎜ 2.C ⎠ ⎝ Tổng hợp lại ta có: ⎧⎛ μ.ω g t ⎞ ⎟ ≤ t < t m ⎪⎜ H − 2.C 2.t m ⎟ ⎪⎜ ⎪⎝ ⎠ H t (t ) = ⎨ ⎞ ⎪⎛ μ.ω g (t − t m ) ⎟ t m ≤ t ≤ T ⎪⎜ H m − ⎟ 2.C ⎪⎜ ⎠ ⎩⎝ (4-48) Từ ta xác định mực nước Âu: - Khi cấp nước: Mực nước thượng lưu ổn định, mực nước Âu tăng dần: y1 (t ) = y + H − H t (t ) - Khi tháo nước: Mực nước hạ lưu ổn định, mực nước Âu giảm dần: y (t ) = y − (H − H t (t ) ) 4.10.3.4 Lưu lượng: Theo phần trước ta có vận tốc ống cấp tháo nước: Q = ω.μ t g.H t , áp dụng cho trường hợp mở van từ từ, ta có: - Trong thời gian: ≤ t < t m ⎛ μ.ω g t H t (t ) = ⎜ H − ⎜ 2.C 2.t m ⎝ ⎞ ⎟ ; μ t (t ) = μ t ⎟ tm ⎠ ⎛ μ.ω g t ⇒ Q(t ) = ω g.μ t (t ) H t (t ) = μ.ω g ⎜ H − ⎜ 2.C 2.t m ⎝ ⎞ t ⎟ ⎟ tm ⎠ 4-33 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính toán thủy lực cấp tháo - Trong thời gian: t m ≤ t ≤ T ⎞ ⎛ μ.ω g H t (t ) = ⎜ H m − (t − t m ) ⎟ ; μ t (t ) = μ ⎟ ⎜ 2.C ⎠ ⎝ ⎛ ⎞ μ.ω g ⇒ Q(t ) = ω g.μ t (t ) H t (t ) = μ.ω g ⎜ H m − (t − t m ) ⎟ ⎜ ⎟ 2.C ⎝ ⎠ Tổng hợp lại: ⎧ ⎛ μ.ω g t ⎞ t ⎜ H − ⎟ ≤ t < t m ⎪μ.ω g ⎜ 2.C 2.t m ⎟ t m ⎪ ⎝ ⎠ Q(t ) = ⎨ ⎛ ⎞ μ.ω g ⎪ ⎜ ⎟ ⎪μ.ω g ⎜ H m − 2.C (t − t m ) ⎟ t m ≤ t ≤ T ⎝ ⎠ ⎩ (4-49) ⎛ μ.ω g t m ⎞ ⎟ (Công thức 4-47) Với: H m = ⎜ H − ⎜ 2.C 2⎟ ⎝ ⎠ 4.10.3.5 Độ biến thiên lưu lượng: Độ biến thiên lưu lượng đạo hàm bậc theo thời gian lưu lượng: dQ (t ) = dQ (t ) chia làm thời kỳ 0 0,4T Qmax = C.H (2 − k m )k m 3T (4-44) T ⎧ ⎪t = (2 − k m )k m ⎪ Qmax có vào thời điểm: ⎨ ⎪H = H ⎪ t ⎩ (4-44) Chứng minh công thức (4-44) (4-44): Trong trường hợp mở van từ từ ta có lưu lượng dòng cấp tháo lớn mở van Theo toán học, cực trị hàm số thường điểm mà đạo hàm bậc hàm số 0, ta có đạo hàm bậc lưu lượng theo công thức (4-40-1) ⎛ H μ ω g t ⎞ − 2⎟ dQ(t ) = μ ω g ⎜ ⎜ tm ⎝ dQ (t ) = H tm H t m →t = μ ω g 4.C = 4.C tm ⎟ ⎠ μ ω g t 2 4.C tm H k m T = H T (2 − k m ) T2 (2 − k m )k m = 4-37 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo ⇒t = T (2 − k m )k m (4-44-1) Vào thời điểm mực nước chênh lệch theo công thức (4-48-1): ⎛ μ.ω g t ⎞ ⎛ μ.ω g T (2 − k m )k m ⎟ =⎜ H − ⎜ H − Ht = ⎜ ⎜ 3.t m tm ⎟ 4.C 4.C ⎝ ⎠ ⎝ ⇒ Ht = ⎞ ⎛ H T (2 − ⎟ =⎜ H − ⎜ ⎟ T (2 − k m ) ⎝ ⎠ H (4-44-2) * Tìm Qmax: Thay thời gian cột nước chênh lệch tìm vào cơng thức lưu lượng (4-49-1) ta có: Qmax = μ ω g H t ⇒ Qmax = t tm = C.H 3T (2 − k m )k m 4C H T H T (2 − k m ) (2 − k m )k m 3k m T (Công thức 4-44 cần chứng minh) * Năng lượng lớn emax: Theo giáo sư Mikhailốp, lúc cửa van mở từ từ hệ số μ biến đổi theo đường thẳng Năng lượng lớn dịng chảy vào buồng âu emax (khơng tính đến tổn thất cống dẫn buồng tiêu năng) tính theo trường hợp sau: Khi tm ≤ 0,24T: emax xuất vào lúc van vừa mở hoàn toàn e e = e (t) t tm T Hình 29: Năng lượng đơn vịcủa dòng chảy tm < 0,24T γ.C.H (1 − k m ) T (2 − k m )4 emax = 32 ⎧t = t m = k m T ⎪ Vào thời điểm: ⎨ ⎛ − km ⎪ H t = H m = 4.⎜ ⎜2−k m ⎝ ⎩ (4-46) (4-47) ⎞ ⎟ H ⎟ ⎠ Chứng minh công thức (4-46) (4-47): Tại thời điểm mở van hoàn toàn t = t m = k m T ta có: 4-38 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo - Mực nước chênh lệch theo công thức (4-47): μ.ω g 4C ⎛ μ.ω g t m Hm = ⎜ H − ⎜ 2.C ⎝ ⎛ ⎞ ⎛ km H H = vào ta có: → H m = ⎜ H − k m T ⎟ = ⎜1 − ⎜ 2−k ⎜ ⎟ T (2 − k m ) T (2 − k m ) m ⎝ ⎝ ⎠ ⎛ − km ⇒ H m = 4.⎜ ⎜2−k m ⎝ ⎞ ⎟ thay ⎟ ⎠ ⎞ ⎟ H ⎟ ⎠ ⎞ ⎟ H ⎟ ⎠ (4-47-2) - Lưu lượng theo công thức (4-49-1) xuất thời điểm t = t m : Qm = μ ω g H m , thay (4-47-2) vào ta có: ⎛ − km Qm = μ ω g 2.⎜ ⎜2−k m ⎝ ⎛ − km ⎞ 4C H ⎟ H = 2.⎜ ⎟ T (2 − k m ) ⎜ − k m ⎝ ⎠ ⎞ 8C.H − k m ⎟ H = ⎟ T (2 − k m )2 ⎠ - Từ ta có lượng lớn thời điểm là: Thay thời gian cột nước chênh lệch tìm vào công thức e(t ) = γ.Q (t ).H t (t ) ta có: e max ⎛ − km 8C.H − k m 4.⎜ = γ T (2 − k m ) ⎜ − k m ⎝ γ.C.H (1 − k m ) = 32 T (2 − k m )4 ⇒ emax ⎞ ⎟ H ⎟ ⎠ (4-46) (Công thức cần chứng minh) Khi tm > 0,24T: emax xuất vào lúc mở van e e = e (t) t tm T Hình 4.31: Năng lượng đơn vịcủa dịng chảy tm > 0,24T emax = 864 343 T CH (2 − k m )k m T ⎧ ⎪t = (2 − k m ).k m ⎪ Vào thời điểm: ⎨ ⎪ H = 36 H ⎪ t 49 ⎩ (4-48) (4-49) 4-39 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo Chứng minh công thức (4-48) (4-49): Trong trường hợp mở van từ từ ta có lượng đơn vị dòng cấp tháo lớn mở van Theo toán học, cực trị hàm số thường điểm mà đạo hàm bậc hàm số 0, ta có lượng dịng cấp tháo theo công thức (4-40-1): ⎛ μ.ω g t ⎞ t e(t ) = γ.μ.ω g ⎜ H − ⎟ ⎜ 4.C tm ⎟ tm ⎠ ⎝ Đạo hàm bậc nhất: ⎛ μ.ω g t ⎞ μ.ω g t ⎞ μ.ω g 2.t ⎤ de(t ) γ.μ.ω g ⎡⎛ ⎢⎜ H − ⎟ − 3⎜ H − ⎟ t ⎥ = ⎜ 4.C 4.C 4.C tm ⎟ tm ⎟ tm ⎥ dt tm ⎢⎜ ⎠ ⎝ ⎠ ⎣⎝ ⎦ γ.μ.ω g ⎛ μ.ω g t ⎞ ⎡ μ.ω g t ⎤ ⎜ H − ⎟ ⎢ H −7 ⎥ = ⎜ 4.C 4.C tm tm ⎟ ⎢ tm ⎥ ⎦ ⎠ ⎣ ⎝ μ.ω g t H =7 4.C tm de(t ) = dt H t m →t2 = μ.ω g ⇒t = 4.C T H t m = (2 − k m ).k m H T (2 − k m ) = T (2 − k m ).k m (4-49-1) Vào thời điểm này: - Mực nước chênh lệch theo công thức (3-49-1): ⎛ ⎛ μ.ω g t ⎞ μ.ω g T (2 − k m )k m ⎜ H − ⎟ =⎜ H − Ht = ⎜ ⎜ 4.C 4.C 7.t m tm ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⇒ Ht = 36 H 49 ⎞ ⎛ T (2 − H ⎟ =⎜ H − ⎜ ⎟ T (2 − k m ) ⎝ ⎠ (4-49-2) - Lưu lượng dịng cấp tháo theo cơng thức: Qt = μ.ω g H t ⇒ Qt = 24 7T t tm = 4C H T H T (2 − k m ) (2 − k m )k m k m T C.H (2 − k m )k m : * Tìm emax: Thay thời gian cột nước chênh lệch tìm vào công thức e(t ) = γ.Q(t ).H t (t ) ta có: 4-40 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo e max = γ 24 CH 7T (2 − k m ).k m 864 36 H 49 γ.CH ⇒ emax = 343 T (2 − k m ).k m (Công thức 4-48 cần chứng minh) * Độ biến thiên lưu lượng dQ dt Độ tăng lưu lượng dòng chảy vào buồng âu từ buồng âu tháo hệ số lưu lượng thay đổi theo đường thẳng vận tốc mở van cố định, có vào lúc bắt đầu cấp nước, nghĩa cột nước chênh lệch lớn Trị số bằng: + μ.ω gH 4.C.H ⎛ dQ ⎞ = ⎟ = ⎜ tm T (2 − k m )k m ⎝ dt ⎠ max (4-60) Độ giảm xuống lưu lượng theo thời gian lớn mở van hoàn toàn Trong khoảng thời gian thời kỳ làm đầy buồng với van mở hoàn toàn, trị số ổn định bằng: − μ ω g 8.C.H ⎛ dQ ⎞ =− ⎜ ⎟ =− C T (2 − k m ) ⎝ dt ⎠ max (4-61) 4.11 Kiểm tra thời gian mở van vận tốc mở van hệ thống cấp tháo nước tập trung Trong trình cấp tháo nước âu tầu, mở van cấp tháo theo phương pháp: - Mở van liên tục suốt khoảng thời gian tm (v = const) - Mở van tăng dần tốc độ Phương pháp mở van liên tục có ưu điểm thiết bị đơn giản thời gian cấp tháo nước lâu Ngược lại mở van tăng dần tốc độ rút ngắn thời gian cấp tháo nước, âu lớn, trang thiết bị lại phức tạp Ở ta xét trường hợp mở van liên tục 4.11.1 Theo điều kiện đậu tầu âu: Trong phần trước ta đề cập lực thuỷ động tác dụng lên tầu tượng thuỷ lực cục sinh P = P1 +P2 + P3 kết luận P = P3 W ⎡ ⎤ Rcf ⎢ n ⎥ = R = W hay Rcf = [n] ⎣ ⎦ Để đảm bảo cho tầu đậu buồng âu an tồn cấp tháo nước u cầu P ≤ Rcf Hay: W W ⎛ dQ ⎞ ⎜ ⎟ ≤ g(f a − f t ) ⎝ dt ⎠ max [n] 4-41 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo Thay giá trị ⎛ dQ ⎞ max từ công thức (4-60), (4-61) ta có: ⎜ ⎟ ⎝ dt ⎠ tt tm ≥ T≥ [n].μ.ω H g ( f a − f t ) 4.kQ [n].Ω.H g ( f a − f t )(2 − k m ) (4-62) Công thức dùng để tính thời gian mở van kiểu lỗ ngập nước, tốc độ mở van là: n= h0 tm Trong đó: ho = ω ∑ bo chiều cao mở van ω: diện tích tiết diện ngang cống dẫn nước ∑bo: tổng bề rộng cống dẫn nước Do đó, tốc độ mở van là: n= g ( f a − ft ) [n].μ.∑ b0 H (4-63) Trong công thức (4-62), kQ hệ số thay đổi độ tăng lưu lượng theo thời gian dòng chảy vào buồng âu, phụ thuộc vào loại cửa van hệ số lưu lượng μ, lấy theo bảng: Bảng 4.3: Hệ số thay đổi độ tăng lưu lượng kQ Trị số kQ với μ tương ứng μ = 0,40 μ = 0,60 μ = 0,70 1,42 1,20 1,03 1,64 1,43 1,24 1,04 0,87 0,74 1,98 1,68 1,42 Loại van Phẳng Van cung Quay Trụ μ = 0,80 0,90 1,10 0,66 0,66 4.11.2 Theo điều kiện đậu tầu kênh: Điều kiện tính tốn tầu đậu kênh khác với buồng âu là: - Ở sau tầu (đậu kênh dưới) khơng có che chắn - Diện tích mặt cắt ướt kênh lớn cố định Khi tính tốn sơ sử dụng cơng thức gần sau: P= β W ⎛ dQ ⎞ ⎜ ⎟ g(f k − f t ) ⎝ dt ⎠ max (4-64) Ở β = ÷ hệ số dự trữ 4-42 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo Thay giá trị ⎛ dQ ⎞ ⎜ ⎟ max ⎝ dt ⎠ vào (4-64) ta có: 4.11.2.1 Thời gian tối thiểu mở cửa van dẫn nước: tm ≥ kV β [n].μ ω H (4-64) g ( f k − f t ) 4.11.2.2 Tốc độ nâng cửa van tối đa: ( n = n= h0 ) tm g ( f k − f t ) (4-66) kV β [n].μ.∑ b0 H 4.11.2.3 Thời gian tối thiểu làm đầy làm cạn buồng âu kV β [n].k Q Ω.H T= (4-67) g ( f k − f t )(2 − k m )k m Trong đó: kV: hệ số kể đến ảnh hưởng vận tốc dọc kênh kV = 1,1 (với kênh thượng lưu) kV = 1,3 ( với kênh hạ lưu) 4.12 Tính kích thước thiết bị tiêu Thiết bị tiêu âu tầu với hệ thống cấp tháo nước tập trung chia làm phần (hình 4.30): + Buồng tiêu năng: khoảng không gian cửa cống dẫn nước vật tiêu + Đoạn nước trấn tĩnh sau vật tiêu (đoạn khơng tính vào chiều dài có lợi buồng âu) Sự làm việc buồng tiêu đặc trưng tiêu hao lượng buồng âu dòng chảy Với loại tiêu đại, lượng tiêu hao buồng tiêu ÷ 10%, cịn đoạn nước trấn tĩnh 3÷4% tồn lượng dịng chảy vào buồng âu 4.1.2.1 Thể tích buồng tiêu năng: Van mở đều, chảy ngập thời kỳ làm đầy buồng âu: V = 9,3 A.Ω.H T k m (2 − k m ) (4-68) Van mở đều, lúc đầu chảy không ngập: V= 11,3 A μ ω Ω Hm H km T (4-69) + Hm- chiều cao từ mép cống dẫn đến cao trình mực nước thượng lưu 4-43 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo Trường hợp tổng quát: (4-70) V = A.emax Trong đó: A- hệ số phụ thuộc vào hồn thiện thiết bị tiêu Với thiết bị tiêu đại A = 0,20 ÷ 0,24 emax- lượng cực đại dòng nước chảy vào buồng âu, xác định theo đường đặc tính thuỷ lực hệ thống cấp tháo nước mntl ϑb ϑt ϑd mnhl mntl mnhl Hình 30: Sơ đồ thiết bị tiêu đầu âu đồ thị biểu diễn thay đổi lượng dòng nước dọc theo buồng âu 1- Cửa âu 4-Thanh tiêu 2- Lỗ cấp nước 4-Đoạn nước trấn tĩnh 3- Buồng tiêu 6-Tàu đậu buồng âu ∋ b - Năng lượng tiêu hao buồng tiêu ∋ t - Năng lượng tiêu hao đoạn nước trấn tĩnh ∋ d - Năng lượng dư dòng chảy cuối đoạn nước trấn tĩnh 4.12.2 Chiều dài đoạn nước trấn tĩnh: Trường hợp mở van đều, chảy ngập suốt thời kỳ làm đầy buồng âu: Ltt = ,3.β Lb H T km( − km) Sb + 0.265H (4-71) Trường hợp mở van đều, lúc đầu chảy không ngập: Ltt = 11,3β μ ω Lb Hm km T Sb H 3/ (Sb + 0,333H ) (4-72) 4-44 http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo Tổng quát: Ltt = β.emax Trong đó: β- hệ số phụ thuộc vào chất lượng làm việc thiết bị tiêu năng, với vật tiêu tốt β = 0,20 ÷ 0,24 emax- trị số lượng riêng lớn dòng nước chảy vào buồng âu, xác định đường đặc trưng thuỷ lực Sb- độ sâu có lợi buồng âu T - thời gian cấp tháo nước 4-45 http://www.ebook.edu.vn ... http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo PHẦN B: TÍNH TỐN THUỶ LỰC 4.7 Khái niệm chung tính tốn thuỷ lực 4.7.1 Các tượng thuỷ lực xảy cấp tháo nước: - Khi cấp tháo nước. .. http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính toán thủy lực cấp tháo - Lực dọc Pmax đường dòng cấp tháo nước tập trung đầu âu (trường hợp cấp tháo nước trực tiếp cống dẫn ngắn) - Khi xác định... http://www.ebook.edu.vn Chương 4: Hệ thống cấp tháo nước tính tốn thủy lực cấp tháo Hệ số α phụ thuộc vào loại cửa van hệ số μ hệ thống cấp tháo nước, α lấy theo bảng: Bảng 4.2: Giá trị α phụ thuộc vào loại