Thiết kế bồn chứa nước trung gian của hệ thống chữa cháy rừng Tràm

I.MỞ ĐẦU
I. Đặt vấn đề.
Việc nghiên cứu vấn đề phòng cháy và chữa cháy rừng nói chung và rừng
Tràm nói riêng hiện nay vẫn là một bài tốn khó bởi đặc điểm của rừng Tràm
vào mùa khô rất dễ cháy cộng với đặc điểm của nền đất rừng, địa hình phức
tạp nên việc chữa cháy rừng triệt để là cực kì khó khăn. Vì vậy, việc nghiên
cứu và phát triển một hệ thống chữa cháy rừng Tràm hiệu quả là rất cần thiết
hiện nay.
Từ yêu cầu trên, được sự đồng ý của khoa Cơ điện & Cơng trình – Bộ môn
Công nghệ và Máy chuyên dung, dưới sự hướng dẫn của Tiến sỹ Dương Văn
Tài. Tôi tiến hành thực hiện chuyên đề: “Thiết kế bồn chứa nước trung gian
của hệ thống chữa cháy rừng Tràm” làm tiền đề cho việc hoàn thiện hệ thống
chữa cháy rừng Tràm.
II. Mục tiêu của nghiên cứu chuyên đề.
- Thiết kế bồn chứa nước lưu động (1-2m3) và bơm hút đẩy trung gian.
- Thiết bị có kết cấu gọn nhẹ và tháo lắp dễ dàng bởi vì khi chữa cháy thiết bị
được vận chuyển thủ cơng đến vị trí làm việc.
III. Nội dung chun đề:
1. Tính tốn kích thước bồn chứa nước theo u cầu lưu lượng của hệ
thống.
2. Kết cấu dự kiến.
3. Tính sức bền:
Tính túi nước.
Tính sức bền của hệ thống khung:
4. Chọn phương án kết cấu bồn chứa nước thích hợp.

1


Tìm kích thước túi nước thích hợp
Xác định kích thước khung thích hợp.

IV. Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu dựa trên lý thuyt v thc nghim.

Phần II. tính toán, thiết kế hệ thống bơm, ống
dẫn nớc
1. tính toán thủy lực (xác định các thông số cơ bản của hệ thống)

Tính toán thủy lực là công việc nhằm xác định các thông số cơ bản của hệ
thống, dựa vào việc tính tổn thất, lu lợng, cột áp tại từng vị trí của hƯ thèng.
(Xem TLTK [3], mơc 2.5, trang 53)
1.1. Kh¸i qu¸t
C¸c chỉ tiêu cơ bản của hệ thống là:

2


- Sư dơng Bån chøa níc trung gian lu th«ng: 02 chiếc
- Sử dụng Bơm nớc và đờng ống mềm
- Cự lý dẫn nớc : 500m.
- Lu lợng dẫn và phun níc: 0,75m3/ph = 12,5 lit/s
- ChiỊu cao phun cđa lăng chữa cháy: không nhỏ hơn 08m
- Tầm phun xa của lăng chữa cháy: không nhỏ hơn 15m

Hình 1. Sơ ®å trun dÉn níc dù kiÕn
Dù kiÕn s¬ ®å trun dẫn nớc:
Để dẫn nớc đi xa, các bơm cần có cột áp lớn (H khoảng 50 đến 100m), trên
thị trờng hiện nay bơm thờng cột có áp chỉ dới 100m (10at), với cột áp đó khoảng
dẫn chỉ đợc 200-300m, do vậy cần nối tiếp 2 đến 3 bơm để đạt khoảng cách 500m
theo yêu cầu của Đề tài;
Các bơm chữa cháy thông thờng gắn liền với động cơ săng 2 thời nhằm tăng

tính cơ động cho công việc, với bơm lu lợng cao sẽ đòi hỏi công suất bơm và động
cơ cao, dẫn đến trọng lợng tổng thành cũng cao (ví dụ bơm Tohatsu 52 có lu lợng
tới 1450 lít/phút có trọng lợng khô là 85kg), điều đó gây khó khăn cho việc mang
vác cụm Bơm-Động cơ bằng sức ngời trong rừng, do vậy có thể 02 bơm lu lợng
nhỏ thay cho 01 bơm lu lợng lớn;
Để các bơm phía sau làm việc đợc, ta bố trí các bồn nớc trung gian.
Sơ đồ truyền dẫn nh hình vẽ, tại vị trí giữa và cuối có thể dùng 01 bơm lu lợng lớn hoặc dùng 02 bơm lu lợng nhỏ,
Lu lợng các bơm nh sau:
- Bơm đầu:
01 bơm QĐ = 12,5 lÝt/phót
- B¬m trung gian: 01 b¬m QTG = 12,5 lÝt/phót
- Bơm cuối:
01 bơm QC = 12,5 lít/phút
1.2. Tính toán phơng tiện truyền nớc và chữa cháy (TLTK[3] Tr235)
Việc tính toán thủy lực đợc tiến hành ngợc từ lăng phun đến bơm nớc đầu nguồn
1.2.1. Sơ bộ chọn thông số lăng phun:
Lăng phun cần đảm bảo yêu cầu chữa cháy:
- Khoảng cách từ lăng (từ ngời cầm lăng) đến đám cháy đủ lớn đảm bảo an
toàn (yêu cầu ?15m) khoảng cách đó đợc xác định bởi bán kính thủy lực R
của lăng phun;

3


- Lu lợng Q của lăng đủ để dập tắt đám chảy, có thể sử dụng nhiều lăng phun, tổng
lu lợng các lăng phun phải nhỏ hơn lu lợng truyền dẫn nớc của hệ thống (12,5
lít/ph);
- Chiều cao phun đảm bảo để dòng nớc vơn tới ngọn cây (yêu cầu > 8m), chiều
cao tối đa đó phụ thuộc vào cột áp H của lăng phun.
Có thể chọn lăng phun số 13, có tinh năng cơ bản nh nêu trong bảng 3:

1.2.2. Xác định khoảng cách từ bơm chữa cháy (bơm cuối) đến đám cháy
Trớc hết xác định khoảng cách có thể từ bơm cuối đến đám cháy:
- Sơ bộ chọn máy bơm chữa cháy của Nhật Ban - TOHATSU - V52 - AS.
HB = 68,0m (10kg/cm2) khi QB = 600 1/ph.
HB = 78,0m (kG/cm2) khi QB = 1000 1/ph.
Vµ HB= 88,0 (kG/cm2) khi QB = 750 1/ph
- Từ máy bơm V52-AS lắp một đờng vòi truyền nớc có đờng kính d = 66mm, cuối
đờng vòi lắp một đầu nối ba chạc, từ ba chạc nối qua vòi và cuối vòi lắp với lăng
chữa cháy.
- Xác định khoảng cách từ máy bơm V52-AS đến đầu nối
HB = H1 + H=2 + HL + HTD
(II.1)
Trong đó: H1: Sụt áp ở đoạn dẫn đầu (giữa bơm cuối và chạc ba);
H2: Sụt áp đoạn dÉn sau ch¹c ba (víi m¹ch song song, b»ng sơt áp ở
một nhánh).
HTD: Sụt áp tự do, sau lăng (chọn là 8m);
HL: Sụt áp tại lăng phun, ở đây sử dụng 3 lăng;
Sụt áp H1 tại đoạn dẫn dợc tính theo số cuộn vòi (nV), độ sụt áp tại mỗi cuộn (SV),
lu lợng (Q) theo công thức sau:
H1 = nghiệp vụ * SV * Q2
Trên đoạn mạch lắp song song, sụt áp tổng chỉ bằng sụt áp tại một nhánh;
áp dụng vào công thức trên vào sơ đồ trên ta cã:
HB = (nV1 * SV + nV2 * SV) * QB2 + SL * (
 HB = (nV1 + nV2) * SV + QB2 + SL * (

QB 2
) + HTD
3

(II.3)

QB 2
) + HTD
3

Trong đó: HB: Cột áp của máy bơm chữa cháy, m
nV1, nV1: Số cuộn bòi truyền nớc đoạn đầu và đoạn sau, cuộn.

4


2

SV - Sức cản của một cuộn vòi có chiều dài 20m, S m (vòi D66 là
1
0,034)
QB- Lu lợng của bơm nớc, 1/s (yêu cầu 12,5)
Từ công thức trªn suy ra:
nV 1  nV 2

Q 
H B  H TD  S L *  B 
 3

2
SV * QB

2

(II.5)

Khoảng cách thực tế của đoạn mạch là:
LV

nV * 20
kv

(II.6)

Trong đó: 20 là chiều dài của 01 vòi tiêu chuẩn;
Kv là hệ số tính đến sự cong vòng của đoạn vòi dẫn
Với loại bơm dự kiến, thay các thông số vào ta đợc:
2

nV 1 nV 2

12,5 
88  8  2,89* 

 3  5, 6 cuén. LÊy = 5 cuén

0, 034*12,52

Trong ®ã nV1 + nV2 là số cuộn dây đoạn trớc và đoạn sau chạc ba, lấy là 2 cuộn
K là hệ số tính đến sự uốn lợn của vòi, (1,15)
LV

nV * 20 5* 20

87 m

kv
1,15

NhËn xÐt:
Cịng cã thĨ sư dơng b¬m ci là TOHATSU- V20-D2, (khi đó việc vận chuyển sẽ
nhẹ nhàng hơn vì bơm chỉ nặng 35kG), nhng lu lợng chữa cháy sẽ giảm xuống chỉ
còn 400 lít/phut. (6,6 lít/s) khi cột áp là 68,6m, khi đó số cuộn vòi có thể lắp sau
bơm là:
2

12,5
68, 6 8 2,89* 

 3  2 cuén
nv1  nv 2 
0, 034*12,52

Chiều dài truyền dẫn sau bơm cuối sẽ là:
Lv

nv * 20 2* 20

35m
kv
1,15

Sau mỗi bơm có thể lắp 1 lăng phun số 13, lu lợng tối đa của lăng lµ 5,8 lÝt/s

5

Trong trờng hợp đó, muốn đảm bảo lu lợng nớc phun vào đám cháy có thể lắp 02
bơm song song sau bồn nớc, mỗi bơm nối với 01 lăng phun số 13, lu lợng tổng sẽ
là:
Q=2*5,8 lít/s = 11,6 lít/s
1.2.2. Xác định khoảng cách truyền nớc giữa các máy bơm qua bể trung gian
Để tính toán khả năng truyền nớc với của một máy bơm cần chọn trớc các thông
số của các thiết bị trên đờng dẫn.
Nh trên đà sơ bộ chọn: Đờng ống truyền dẫn sử dụng vòi mềm có đờng kính
66mm, bơm TOHATSU V52-AS. Hoặc bơm có thông số kỹ thuật tơng đơng;
Viết phơng trình cân bằng cột ¸p ta cã:
HB = nghiƯp vơ * Sv * QB + HTD
(II.7)
Trong đó: HTD - cột áp tự do ở cuối đờng vòi, m (chọn là 3 m)
nv

H B H TD
SV * QB

(II.8)

Thay các thông số của bơm và ống đà chọn vào ta đợc:
nv

H B  H TD
88  3

14, 4 cuén, lÊy b»ng 14 cuén
S ¦v *QB
0, 034*12,52

LV 

nv * 20 14* 20

243,3m 243m
1,15
1,15

VËy với khoảng cách yêu cầu L = 500m ở trên, ta cần bố trí máy bơm nh sau:
- 01 máy bơm cố định trên xuồng TOHATSU - V52-AS và 14 vòi dẫn xa 243,3m
- 01 máy bơm trung gian TOHATSU - V52-AS và 14 vòi dẫn xa 243,3m;
- 01 máy bơm cuối (bơm chữa cháy); TOHATSU - V52-AS và 5 vòi dẫn xa
87,0m
Tổng chiều dài dẫn là 243m * 2+87m =573m
- Hoặc 02 máy bơm cuối (bơm chữa cháy) TOHATSU - V20-D2 lắp song song,
mỗi mạch lắp 2 vòi, dẫn xa 35,0m
Tổng chiều đàiẫn là 243m 2+35m = 521 m
2. lựa chọn thiết bị và phơng án truyền dẫn
2.1. Lựa chọn thiết bị:
Từ những kết quả tính toán trên, chúng ta lựa chọn các thiết bị nh sau:
2.1.1. Lựa chọn Bơm
Các phơng án chọn bơm nêu trong bảng 1 sau:
Bảng 1. Tính năng chính của các bơm dùng trong hệ thèng

6


Vị trí ặt
bơm
Bơm đầu

(1 chiếc)
Bơm trung
gian (1
chiếc)
Bơm cuối
(1 chiếc)
Hoặc:
Bơm cuối
(2 chiếc)

MoDel

Cột áp H

Lu lợng Q
1450
1000
600
750 lit/ph
Nh trên

Loại động
cơ
Săng 2 thời,
làm mát
bằng nớc
Nh trên

Trọng lợng
khô

85 kG

TOHATSU
VC52-AS
Nh trên

39,2 m (4at)
78,4 m (8at)
98 m (10at)
88 m
Nh trªn

Nh trªn

Nh trªn

Nh trªn

Nh trªn

Nh trªn

TAHATSU
V20D2

49 (5at)
68,6 (7at)

650 lit/ph
400 lit/ph

Săng 2 thời,
làm mát
bằng gió

36kG

Nh trên

2.1.2. Lựa chọn ống dÃn:
Nh trên đà tính toán, vòi dẫn là vòi vải tráng cao su, D66, tính năng nêu trong bảng
2...
Bảng 2. Hệ số cản của một cuộn vòi dẫn nớc chữa cháy dài 20 m
Đờng kính vòi dẫn
Sức cản của vòi dẫn S (s/l)2 . m
Vòi vải
Vòi vải tráng cao su
66
0,077
0,034
2.1.3. Lựa chọn Lăng phun
Nh trên đà tính toán, lăng phun thích hợp là lăng số 13, tính năng nh...
Bảng 3. Một số lăng phun đợc chọn và thông số kỹ thuật chính của chúng
Thông số cơ bản
của lăng
Số hiệu Lu lợng
Hệ số
Lăng tối đa (lit/
cản
s)

(S/l)2.m
13
5,8
2,89

Số lăng tối đa
Bán kính thủy Cột áp tơng đLu lợng sử
có thể
lực tơng đơng với l-ơng với lu lợng
dụng (lít/s)
(lắp song
u lợng sử dụng (m)
(m)
song)
4,2 lít/s
3
22
53,4
(12,5/3)

Các thông số kỹ thuật khác của Lăng phun nêu trong Phụ lục 02
2.2. Phơng án truyền dận bơm cuối và lăng phun
Nh trên đà nêu, có thể sử dụng 02 bơm cuối có lu lợng và trọng lợng nhỏ
hơn, để thuận tiện cho việc vận chuyển trong rừng.

7


Lăng đợc chọn mang số 13, khi sử dụng lăng lớn hơn, lu lợng nớc qua lăng
tăng lên, do vậy có thể giảm số lăng cần có; nhng điều đó dẫn đến tổn thất cột áp

qua lăng tăng nhanh (bình phơng lần), có thể không đủ cột áp cho việc phun.
Bảng sau nêu thông số kết quả lu lợng nớc vào đám cháy khi sử dụng phơng
án truyền dẫ cuối khác nhau;

Bảng 4. Diễn giải phơng án truyền dẫn cuối và lợng nớc phun vào đám cháy

( Khi sử dụng hai bơm đầu va bơm trung gian là TOHATSU-V52-AS)
Bơm cuối
Cuộn vòi (D66)
Lăng phun
MÃ hiệu

Số
bơ
m

Q (lít/
s)
H (m)

Số
nhánh
mỗi
bơm

Số cuộn Tổng
vòi mỗi khoảng
nhánh dẫn (m)

Số

hiệu

Lu lợng
mỗi
lăng

Số lăng
mỗi
nhánh

Tổng
số
lăng

Tổng
lu lợng
phun
(lít/s)

TOHATSU 1
750
1
5
87
13
4,2
3
3
12,5
16

6,25
2
2
VC52-AS
88m
TOHATSU
2
600
1
2
35
13
5,8
1
2
11,6
16
5,8
1
2
V20D2
68,6m
2.3. Các phơng án lắp đặt thiết bị theo khoảng cách kênh đến đám cháy
Trong thực tế, không phải lúc nào cũng cần lắp đặt toàn hệ thống Bơm- VòiBồn chứa nh thiết kế, mà dực vào khoảng cánh kênh nớc đến đám cháy, có thể
bớt các thiết bị, có ba sơ đồ sử dụng thiết bị theo khoảng cách nh hình vẽ (2), (3),
(4) nh sau:
Sơ đồ cho thấy khi sử dụng bơm TOHATSU V52-AS, và dùng 3 lăng phun
số 13, với phơng án ®Çy ®đ cã thĨ trun ®Én tèi ®a ®Õn 573m, khi bá mét b¬m

8

trung gian có thể đến 320m, đặc biệt khi chỉ có một bơm trên xuồng sử dụng bơm
cuối, khoảng cách tối đa có thể đợc là 87m.
Hình 2. Sơ đồ hệ thống thiết bị_ Khi khoảng cách Kênh- đám cháy đến 573m
(với bơm cuối là TOHATSU V52-AS) hoặc đến 521 m (với bơm cuối là
TOHATSU V20D2)
Hình 3. Sơ đồ hệ thống thiết bị_ Khi khoảng cách Kênh - Đám cháy đến 320m
(với bơm cuối là TOHATSU V52-AS) hoặc đén 273 m (với bơm cuối là
TOHATSU V20D2)
Hình 4. Sơ đồ hệ thống thiết bị_ Khi khoảng cách Kênh - Đám cháy đến 87m

Phần III. Tính toán thiết kế bồn chứa nớc
1. tính toán

1.1. Tính toán kích thớc bồn chứa theo yêu cầu lu lợng của hệ thống
1.1.1. Tính thể tích bể chung
+ Lu lợng cuối đờng ống yêu cầu là 0,75 m3/phút
Thời gian gián đoạn của máy bơm nớc vào cho phép là 1,5 phút
-> Thể tích lu giữ thiết kế của bồn chứa V>1,0 m3
Thể tích Bồn chứa dự định V= 1,5 m3
1.1.2. Chọn hình dạng của bể chứa
Có thể sử dụng hai phơng án là Dạng hình khối lập phơng và hình dạng trụ
tròn
a/ Phơng án hình khối Lập phơng
Bể chứa đợc chọn là hình hộp chữ nhật, đáy là hình vuông; hình dạng này so
với hình trụ tròn có u điểm là thuận tiện để tạo ra một kết cấu khung xơng có khả
năng tháo lắp nhanh, vận chuyển dễ dàng, độ bền vững cao..
Có thể chọn kích thớc cơ bản nh sau:
- Cao

H = 1,0 m
- Đáy :(dµi x réng)
A xB = 1,2m x 1,2m = 1,44 m2
- ThĨ tÝch thùc tèi ®a cđa bĨ: V max = 1,0 x 1,2 x 1,2 = 1,44 m3
b/ Ph¬ng án Hình trụ tròn
Để kết cấu bồn chứa đơn giản, cã thĨ dïng bån chøa h×nh trơ trong xoay;
Víi thĨ tích chứa nớc yêu cầu là 1,5 m3, có thể chọn kích thớc bồn sơ bộ nh
sau:
- Đờng kính đáy
D = 1,2 m
- ChiÒu cao
h = 1,5 m

9


-> ThĨ tÝch chøa níc tèi ®a;
V

 .D 2
3,1416.1, 2m 2
.H 
.1,5m 1,5m3
4
4

BĨ chøa gåm hai khoang níc vµo vµ khoang nớc ra, chia theo đờng kính đáy,
đầu nớc vào và đầu nớc ra đặt đối diện nhau ở sát đáy; giữa hai khoang có một tấm
ngăn sóng nớc từ khoang vµo lan sang ra.
2. KÕt cÊu cơ thĨ dù kiến

Bồn chứa gồm hai phần chính là khung bồn và tói níc, dù kiÕn kÕt cÊu nh sau:
a/ Khung bån
Khung kết cấu bởi 08 chiếc cọc (cách nhau 450) và 06 vành tròn (cách nhau 30
cm).
- Các cọc làm bằng thÐp èng, dµi 1,8 m. Khi lµm viƯc 08 chiÕc cọc cắm sau
0,3 m xuống đất theo một đờng kính 1,2m, cách đều nhau góc 450.
- Các vành tròn uốn bằng thép tiết diện hình hộp vuông, mặt ngoài vành
tròng có hàn 08 đai dẹt, cách đều 450, tạo thành các ô liên kết với các cột;
- Các vòng tròn lồng vào các cột, tạo thành một lồng sắt cao 1,5 m, đờng
kính đáy là 1,2 m. Khung sắt là chỗ dựa của túi nớc
Khi vận chuyển, các cọc có thể bó gọn lại thành một bó, các vành cũng buộc
lại từng cụm 2-3 chiếc, tiện mang vác;
b/ Túi nớc
- Vật liệu chế tạo túi nớc là vải bạt tráng cao su;
- Túi đợc may kín thành một hình trụ tròn không nắp, đờng kính đáy 1,2 m
và cao 1,5 m;
- Gần sát túi có 02 lỗ tròn, để lắp 02 lỗ tròn, để lắp 02 đầu nối (Resco) liên
kết với ống nớc bơm vào và ống nớc bơm ra;
- Xung quanh miệng túi có khâu 08 cái đai treo, vòng vào đai trên cùng của
Khung bồn;
Khi vận chuyển, túi có thể gấp gọn lại, thành một khối;
Kết cấu cụ thể của khung và bồn nớc đợc chỉ ra trên h×nh 4
H×nh 5. KÕt cÊu cđa khung bån níc
3. tÝnh søc bỊn
ViƯc tÝnh søc bỊn cđa tói níc gåm tÝnh Hệ thống khung và Túi nớc
Sơ đồ chịu lực chung của Bồn chứa nớc nh hình vẽ 04.
Sơ đồ hình 6 chỉ rõ: áp lực nớc là lực tải tác dụng lên Khung và túi

10

- Cờng độ chịu áp lực tăng dần từ miệng bồn xuống đáy, áp lực phía trên
cùng bằng không, áp lực dới đáy là lớn nhất và bằng 1,5 kG/cm2
- Tại cùng một độ cao, áp lực nớc là đồng nhất.
Hình 6: Sơ đồ chịu tải của bồn nớc
3.1. Tính túi nớc
3.1.1. Xác định ứng suất trên vải làm Túi nớc
Gọi r là bán kính của túi may, r* là b¸n kÝnh trong cđa khung, ta thÊy:
- Khi r  r* : Khi đo túi căng tròn hết cỡ đờng của nó, vải túi không tựa vào
khung và do vậy áp lực nớc dồn hoàn toàn lên túi, ứng suất trong vải túi là lớn
nhất.
- Khi r > r* : Khung chịu một phần áp lực nớc, túi đợc giảm tải và ứng suất
trong vải túi thấp trờng hợp trên;
Chúng ta tính theo trờng hợp đầu (r r*), là trờng hợp ứng suất vải đạt trị số
lớn nhất.
Do chiều dày vải làm túi nhỏ hơn nhiều lần chiều rộng vải ( khoảng cách
giữa các cột và giữa các vành ®ai thÐp), nªn cã thĨ bá qua sù n cđa vải, vải chỉ bị
kéo mà không bị uốn.
áp lực nớc lên túi lớn nhất ở đáy túi, do vậy ứng suất của vải ở đáy túi là lớn
nhất.
Vải túi chịu lực kéo theo phơng tiếp tuyến, do túi nớc đặt trên mặt đất nên lực
kéo theo phơng thẳng đứng đáng kể;
Xét một mảnh túi bị chặn giữa hai cột khung liên tiếp, nằm sát ở đáy, có
chiều cao bằng một đơn vị dài(ở đây là 1cm), đó là đoạn cung tròn (2.r.) trên sơ
đồ tính toán ở hình vẽ 7.
Gọi dp là thành phần của lực do áp lực nớc gây ra trên cung tròn d, ta có:
dP = p.b.r.d
(III.1)
Chiếu lực thành phần đó lên trục ly tâm OX ta có:
dPX = p.b.r.d.Cos

(III.2)
trong đó:
là góc lệch của tâm vi phân cung r.d với trục OX, ( biến đổi từ 0 đến /8)
P là áp suất nớc lên tấm vải tính tại sát với đáy bồn, sẽ có giá trị lớn nhất
(kg/cm)
Hình 7. Kích thớc miếng vải tính sức bền
Hình 8. Sơ đồ tính sức bền túi nớc

11


Tích phân hai vế ta sẽ đợc:


-> PX =2.r.p. Cosi .d 2.r. p.Sin

(III.3)

0

Gọi lực đơn vị kéo căng trên một đơn vị chiều rộng đặt vào mép hai bên tấm vải
(1cm) là R (kG/cm), tổng hình chiếu của các lực này lên trục OX phải cân bằng
với PX:
2.R. Sin = PX
(III.4)
Thay các biểu thức của P ở trên vào ta cã:
2R. Sin = 2.r.p.Sin -> R = r.p
(III.5)
Ta biÕt ¸p st p phơ thc chiỊu cao cét níc H, khi chiỊu cao H ®o b»ng cm, ta cã:
H

p
100

(kG/cm2)

-> R

(III.6)

r*H
100

(III.7)

Trong đó r và H là bán kính và chiều cao túi nớc, cm
R là ứng suất kéo của vải tói sinh ra khi lµm viƯc, kG/cm
100 lµ h»ng sè chuyển đổi từ chiều sâu cột nớc sang áp lực, (cm3/kG)
Khi thể tích V của bồn là một thông số cần thiết phải chọn trớc, ta có:
v
*r2

(III.8)

v
R
100* * r

(III.9)

H

Thay vào trên ta có:

Từ (III.9) có thể xác định bán kính túi r theo thể tích V và ứng suất cho phép R của
vải
v
r
100* * R

(III.10)

R là lực kéo trên 1cm bề rộng tấm vải, phải nhỏ hơn ứng suất kéo cho phép của
vải.
R


k1.k2

(III.11)

Trong đó: k1 là hệ số tải trọng động, tính đén dòng xoáy cđa níc trong bån, lÊy
b»ng 1,1;
K2 lµ hƯ sè an toµn, lÊy b»ng 1,1

12


là ứng suất kéo cho phép của vải làm túi nớc cần phải có
V .k1.k2
100. . v

r

(III.12)

Từ r và V, tính ngợc lại ra chiều cao túi H.
3.1.2. Nhận xét.
- Khi bán kính túi nhỏ hơn hoặc bằng bán kính khung bôn, ứng suất kéo của vải
phụ thuộc bán kính cong cuae túi và chiều cao nớc trong túi.
- Với thể tích chứa nớc V đà định, ứng suất kéo R của vải tỷ lệ nghịch với bán
kính túi r, do vậy có thể tăng bán kính r ®Ĩ gi¶m øng st kÐo R cđa v¶i; khi ®ã
chiỊu cao túi H sẽ giảm.
- Khi bán kính túi lớn hơn kính khung bồn, vải túi lồi ra ngoài khung, khi lµm viƯc
tói sÏ tú vµo khung vµ trun mét phần tải trọng lên khung.
3.1.3. Phơng án giảm ứng suất vải túi
Có thể phân bố tải trọng lên khung bằng cách chế tạo túi có đờng kính lớn
hơn đờng kính lớn hơn đờng kính vành; Việc tính toán trờng hợp này rất phức tạp,
vì là một bài toán bất định với hai loại vật liệu có tính đàn hồi (vải và thép). Bài
toán nằm ngoài phạm vi của Chuyên đề. Chúng tôi xin tính toán sơ bộ nh sau:
- Gỉa thiết: Phần tải trọng do nớc phân bố lên khung tỷ lệ thuận với tỷ số
diện tích chắn của vành khung (bá qua diƯn tÝch ch¾n cđa cét), víi tỉng diện tích
xung quanh của túi;
- Do tải trọng lên thành túi tăng dần theo chiều sâu H tính từ mặt nớc (xem
hình 9), nên bố trí số vành mau dần từ trên xuống dới đáy.
- Chọn kích thớc khung bồn: H= 150 cm, r = 60cm, Vµnh uèn b»ng thÐp ống D26;
- Chọn tỷ lệ tải trọng phân bố lên vành là 1/3, khi đó vải chỉ chịu tải nh ®èi
víi tói níc cãa chiỊu cao b»ng 2/3 (ë ®©y tơng túi H= 100)
- Khoảng cách phân bố theo chiều cao của các vành (xem hình vẽ) sẽ là;
50+70+100+140+190+250+320+380 = 1500mm
Hình 9. Sơ đồ bố trí vành khung theo chiều cao

3.2. TÝnh søc bỊn hƯ thèng khung
C¸c chi tiÕt chÝnh cđa khung bån níc gåm Vµnh khung vµ cäc khung;
3.2.1. Tính vành khung
Vành khung hình tròn, chịu tác động của ¸p lùc cđa níc trun tõ tói níc.
Khung cã nhiỊu vành nhng vành nằm sát đáy chịu lực lớn nhất do chiều cao nớc ở
đó là sâu nhất,

13


Ta cần kiểm tra vành trong trờng hợp vành chịu toàn tải của áp lực nớc truyền qua túi.
Xét vành nằm sát đáy, nó chịu áp lực nớc tác động trên một nặt trụ bán kính r
và chiều cao bằng khoảng cách giữa hai vành liên tiếp:
Hình 10: Sơ đồ tính lực kéo vành
Giả sử ta cắt vành ra hai nửa theo đờng kính, xét lực kéo R đặt tại hai mặt cắt
Lực thành phần tác dụng lên túi vải và truyền lên vành:
dP = p.b.r.d
(III.13)
Chiếu các lực thành phần đó lên trục ly tâm OX ta có
dPX = p.b.r.d . Cos
(III.14)
trong đó là góc ở tâm ( biến đổi từ - /2 đến /2)
r là bán kính bån níc (cm)
TÝch ph©n hai vÕ, chia vïng laays tÝch phân ra hai phần 0 đến /2 và 0 đến -/2 sẽ đợc:
/2

-> PX 2.r.b. p. Cosi .d 2.r.b. p.Sin
0

(III.15)

P là áp suất trung bình của nớc lên vải, trong khoảng giữa hai vành liên tiếp nằm sát
đáy:
p 0, 001.( H 

b
)
2

( kG / cm , H vµ b tính bằng cm)

(III.16)

Gọi lực kéo đặt vào hai mặt cắt của vành là RV (kG / cm2) , tổng hình chiếu của
các lực này lên OX phải cân bằng với PX :
2. RV. Sin = PX
(III.17)
Thay c¸c biĨu thøc cđa b, P..... ở trên vào ta có:
2.RV .Sin 2.r.b.0, 01.( H 

b
).Sin
2

(III.18)

Víi kÝch thíc khung bån dù kiÕn nªu trªn, thay các giá trị của khung vào ta đợc:
-> RV = 0,01 (kG/cm3).60 cm *30 cm* (150cm - 15cm) = 2430 (kG)
RV là lực tiết diện, phải nhỏ hơn Lực kÐo cho phÐp cđa tiÕt diƯn thÐp lµm vµnh RTD.
RV RTD

Sử dụng thép hình vành, ứng suất kéo cho phÐp cđa vËt liƯu lµ:
 Ch 28kg / mm 2
K 

14kG / mm 2
n
2

Trong ®ã K øng suÊt kÐo cho phÐp cđa vËt liƯu

14


[Ch l ] là ứng suất chảy của thép ( = 28 kG/mm2 víi thÐp CT5)
n lµ hƯ sè an toàn, lấy bằng 2
Từ đó, diện tích tiết diện A của thép làm vành cần thiết là:
R
2430kG
A V
174mm 2
2
K 14kG / mm

Víi diƯn tÝch A ®ã, sư dơng tiết diện thép vuông nhằm hạn chế cong vênh và dễ
hàn các tai liên kết với cọc, có thể chọn các loại tiết diện thép hình nh nêu trong
bảng sau:
Bảng 5. Số hiệu thép chọn chế tạo Vành khung của bồn nớc
Số hiệu tiết diện
Rộng = dài (mm0
Chiều dầy (mm) DiƯn tÝch tiÕt diƯn (mm2)

Vu«ng 22 x 2
22
2
176
Vu«ng 15 x 3
15
3
180
Vuông 12 x 4
12
4
192
3.2.2. Tính cọc khung
Cọc khung chịu nén dọc, tải trọng là nớc trong bồn. Thờng bồn trên mặt đất,
tải trọng đặt cột rất nhỏ, tuy nhiên xét trờng hợp nguy hểm nhất: toàn bộ túi treo
trên cột:
Tải trọng đặt lên mỗi cột sẽ là:
.r 2 H .
Q
.k
nc

(III.19)

Trong đó : k là hệ số phân bố tải không đều lên các cọc ( lấy k= 1,4)
là tû träng cđa níc (=0,001kG/cm3)
nC sè cäc
Víi kÝch thíc khung bồn dự kiến nêu trên, thay các giá trị của khung vào ta
đợc:
.602150.0,001

Q
.1, 4 296.8kG 300kG
8

Sử dụng thép ống (tiết diện vành khăn) làm cọc, ứng suất kéo cho phÐp cđa
vËt liƯu lµ:
N 

 N 40kG / mm 2

13kG / mm 2
n
3

Trong ®ã K øng suÊt kÐo cho phÐp cđa vËt liƯu
[N] lµ øng st bỊn cđa thÐp (= 40kG/mm2 với thép đúc các bon 15 )
n là hệ số an toàn, tính đén lực uốn, lấy bằng 3
Từ ®ã, diƯn tÝch tiÕt diƯn A cđa thÐp lµm cäc cần thiết là :

15


R
2430kG
A v 
187mm 2
 K 13kG / mm 2

Víi diƯn tích A đó, có thể chọn các loại thép ống tiết diện nh nêu trong bảng:
Bảng 6. Số liệu thép chọn chế tạo Cọc bồn nớc

Số hiệu tiết diện
Dày b (mm)
§. kÝnh D (mm0
DiƯn tÝch tiÕt diƯn
thÐp
A (mm2)
èng D14x 2
2
14
201
èng D12x 3
3
12
227
èng D10x 4
4
10
236
NhËn xÐt:
- Nh×n chung søc bỊn cđa khung thép là thừa; nhng cần tăng kích thớc lên
một chút để đảm bảo cứng vững khi bảo quản tại kho và khi mang vác vận chuyển.
- Với vành, nên dùng ống vuông a = 22 - 26, dầy b = 2 - 4
- Víi cäc, nªn dïng èng thÐp D = 20 - 26, dÇy b = 2 - 6 để tránh cong khi vận
chuyển.
4. Chọn phơng án kết cấu bồn chứa nớc thích hợp

Dựa vào các phơng pháp tính toán trên, ta tính toán và chọn các phơng ¸n kÕt
cÊu nh sau:
4.1. T×m kÝch thíc tói níc thÝch hợp
Chi tiết quan trọng và yêu cầu kỹ thuật cao nhất của bồn chứa là túi nớc, trên

thị trờng hiện nay vải bạt có sức bền kéo cao để làm túi npức để khó kiếm
Nh phân tích ở trên, với thể tích nớc V đà định, có thể tăng bán kính túi để
giảm ứng suất R của vải, nhng bán kính vành của khung sẽ tăng gây khó khăn
cho việc vận chuyển.
Xét các yêu cầu công nghệ, có thể sử dụng 3 phơng án kích thớc túi nớc nh
bảng sau.
Bảng 7. Kích thớc túi nớc thích hợp
ứng xuất kéo vải túi Bán kính Bán kính Chiều Thể tích
Phơng án
(kG/cm)
vành rV thùc tói r cao H thùc tÕ V Chó thÝch
TÝnh
Y.cÇu
(cm)
(cm)
(cm)
(cm3)
1
40
52
80
80
50
1,00
2
50
65
64
64
78

1,00
P.A chọn
3
60
68
60
65
150
1,50
Trong đó ứng suất yêu cầu của vải là ứng suất tính toán nhân với hệ số an
toàn (1,15)

16


Phơng án là phơng án thích hợp nhất, đợc sử dụng để thiết kế bồn nớc
4.2. Xác định kích thớc khung thích hợp
Từ các phơng án túi nớc, có thể suy ra các phơng án cho khung bồn chứa nh
sau:
Bảng 8: Kích thớc khung bồn nớc thích hợp
Vành
Cọc
Phơng B.kính r
Chú
Số l- Ch.cao T.diện Số lTiết diện thép
án
thích
(cm)
ợng H (cm) thép îng
1

80
Vu«ng 22 x 2
6
110 D28x2 6
2
60
Vu«ng 24 x 2
6
130 D30x3 6
3
60
Vu«ng 26 x 2 6
150 D30x3 8 P.A chän thiÕt kế
Nội dung tính toán các chi tiết này tơng tự nh trên, không trình bày ở đây.

Phần IV: tính khảo nghiệm trên máy tính
1. Khảo sát trên phần mềm Exel

17


Sử dụng phần mềm Exel để khảo sát ứng suất vải làm túi nớc, khi thể tích
túi V chọn cố định chiều cao túi H thay đổi theo bán kính r (Xem file Exel
“khasat.xls”, sheet 2)

Hinh 9. Quan hÖ øng suất trên vải R với bán kính túi r, khi thể tích túi
cố định là V = 1m3
Đồ thị trên cho thÊy: Víi cïng thĨ tÝch V = 1m3, øng suất R xuất hiện trên
vải túi giảm nhanh khi tăng bán kính r.
1. Khảo sát tính toán bằng phần mềm Matlab

1.1. Khảo sát tính toán hệ thống thuỷ lực
(Xem file Matlab tinhthuyluc.mdl)
Khảo sát tính toán thuỷ lực hệ thống dẫn và phun nớc đợc thực hiện trên máy
tính bởi phần mềm Matlab Simulink 5.2, sơ đồ chơng trình tính toán nêu ở hình dới, trong đó:
1. Chơng trình có ba khối, số liệu đầuvào nằm ngoài cùng bên trái sơ đồ:
a. Khối trên cùng là khối tính toán mạch dẫn bởi bơm 01, bao gồm các thông số
đầu vào:
- H bom 1: Cột áp bơm đầu, đặt trên thuyền (tra theo bơm đợc chọn);
- H tudo 1: Cột áp tự do sau khi ra khỏi cuối đờng vòi (chọn);
- Q bom 1: Lu lợng bơm đầu, đặt trên thuyền (tra theo bơm đợc chọn);
- S voi123: Sức cản của 01 cuộn vòi, số liệu này đợc dùng cho vùi của ba
khối a, b, c (tra theo loại cuộn vòi đợc chọn);
b. Khối trêncùng là khối tính toán mạch dẫn bởi bơm 01, bao gồm các thông số
đầu vào:
- H bom 2: Cột áp bơm trung gian (tra theo bơm đợc chän);
- H tudo 2: Cét ¸p tù do sau khi ra khỏi cuối đờng vòi (chọn);
- Q bom 2: Lu lợng bơm trung gian (tra theo bơm đợc chọn);
c. Khối trên cùng là khối tính toán mạch dẫn bởi bơm 01, bao gồm các thông số
đầu vào:
- H bom 3: Cột áp bơm cuối, túc bơm phun chữa cháy (tra theo bơm đợc
chọn);
- H tudo 3: Cột áp cần có để đạt chiều cao phun (yêu cầu > 8m)
- Q bom 3: Lu lợng bơm cuối (tra theo bơm đợc chọn)
- S lang: Sức cản của 01 lăng phun (tra theo lăng phun đợc chọn)
- n lang: Số lăng phun lắp song song (có thể chọn 1 đến 4).

18


Hình 10. Sơ đồ tính toán Thuỷ lực hệ thống dÃn và phun nớc trên máy tính

2. Kết quả tính toán nằm ngoài cùng bên phải:
- L Dau : Chiều dài dÃn nớc đoạn đầu (m);
- L Tgian: Chiều dài dÃn nớc đoạn trung gian (m)
- L Cuoi: Chiều dài dÃn nớc đoạn cuối, từ bơm cuối đến lăng (m)
- ChDai tong L: Chiều dài tổng cộng thuyền đến lăng phun (m)
Khi thay đổi các thông số đầu vào (bên trái) bằng cách nháy chuột vào ô tơng
ứng, sẽ làm thay đổi các thông số đầu ra bên phải.
2.2. Khảo sát tính toán ứng suất căng của vải túi
(Xem file Malab tinhtui.mdl)
Khảo sát tính toán ứng suất vải túi thực hiện trên máy tính bởi phần mềm
Matlab Simulink 5.2, sơ đồ chơng trình tính toán nêu ở hình dới
Chơng trình có hai khối, số liệu đầu vào nằm bên trái, kết quả nằm bên phải
sơ đồ:
a. Khối trên khảo sát ứng suất kéo của vải khi thay đổi chiều cao túi H, khối
dới khảo sát ứng suất kéo vải túi khi thay đổi bán kính túi r; k1 và k2 là hệ số động
và hệ số an toàn;
b. Trị số Rmax là ứng suất tối đa của vải, ứng với trị số tối đa của biến số H
hay r;
c. Khi chạy chơng trình, cửa sổ đồ thị R=f(H) và đồ thị R=f(r) sẽ hiển thị
trên màn hình;
d. Khi thay đổi các thông số đầu vào (bên trái) bằng cách nháy chuột vào ô
tơng ứng, sẽ làm thay đổi các thông số đầu ra bên phải.
Hình 11. Sơ đồ chơng trình tính toán khảo sát ứng suất vài túi nớc trên
máy tính
Hình 12. Đồ thị ứng suất vài phụ thuộc bán kính túi R=f(r) (bên trái)
và ứng suất vài phụ thuộc chiều cao túi R=f(H) (bên phải). Trong đó trục OY
là ứng suất vải R, trục OX là bán kính túi r (đồ thị bên trái) hoặc chiều cao
túi H (đồ thị bên phải)

19

Phần V. Phụ lục
Phụ lục 01: Tính năng kỹ thuật của các ống hút đẩy nớc (Theo TLTL[3])
Bảng 1. Hệ số cản của một cuộn vòi dẫn nớc chữa cháy dài 20m
Đờng kính
Sức cản của vòi dẫn S (s/l)2.m
Vòi vải
Vòi vải tráng cao su
vòi dẫn
51
0,300
0,130
66
0,077
0,034
77
0,030
0,015
89
0,00385
110
0,00200
150
0,00045
Phụ lục 02: Tính năng kỹ thuật của Lăng phun nớc (Theo TLTK [3])
Bảng 2. Hệ số sức cản và độ dẫn của một số lăng chữa cháy
2

Đờng kính d(mm)

Sức cản

10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25

s
S .m
1





1

s.m 2

Độ dẫn p

8,26
5,64
3,98
2,89
2,40
1,63
1,26
0,99
0,787
0,634
0,516
0,425
0,353
0,295
0,249
0,212

1

0,348
0,421
0,504
0,588
0,682
0,783

0,891
1,01
1,13
1,26
1,39
1,53
1,68
1,84
2,00
12,17

Bảng 3. Cột áp H, lu lợng Q và bán kính thuỷ lực R của một số lăng chữa cháy
cầm tay
R
(m)

Đờng kính miệng lăng d (mm)
13
16
19
22
25
H(m) Q (l/s) H(m) Q (l/s) H(m) Q (l/s) H(m) Q (l/s) H(m) Q (l/s)

6
7
8
9
10
11

12

8,4
9,4
11,6
12,7
15,3
16,6
19,5

1,7
1,8
2,0
2,1
2,3
2,4
2,6

7,9
9,2
10,6
12,1
13,7
15,4
18,2

2,5
2,7
2,9
3,1

3,3
3,5
3,8

7,8
9,2
10,7
11,7
13,4
15,2
17,1

20

3,5
3,8
4,1
4,3
4,6
4,9
5,2

7,5
8,8
10,3
11,9
13,1
15,0
16,3

4,6
5,0
5,4
5,8
6,1
6,5
6,8

7,4
8,7
10,1
11,6
13,0
16,6
17,0

5,9
6,4
6,9
7,4
7,8
8,3
8,7