Особенности гидравлического расчета решетчатых элементов в гидротехническом строительстве Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

***** ЯЗШСЖИ)Г ***** № 2(18) 2010

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 626.823.6

ОСОБЕННОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА РЕШЕТЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ

СТРОИТЕЛЬСТВЕ

GRATING ELEMENTS HYDRAULIC CALCULATION PECULIARITIES IN HYDROENGINEERING BUILDING

A.A. Пахомов, кандидат технических наук, доцент И.А. Большаков, кандидат технических наук, доцент

Н.А. Колобанова, ассистент

ФГОУВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия

A.A. Pahomov, I.A. Bolshakov, N.A. Kolobanova

Volgograd state agricultural academy

Изложены методы гидравлического расчета решетчатых элементов, используемых в гидротехническом строительстве. Даны рекомендации по гидравлическому расчету расходомера с чувствительным элементом в виде решетки.

Grating elements hydraulic calculating methods used in hygroengineering building are given in the article. Recommendations on flow meter with sensor in the form of grate hydraulic calculating are given here.

Ключевые слова: решетка, сетка, коэффициент

гидродинамического сопротивления, потери напора, расходомер.

Key words: grate, grid, coefficient, water head losses, flowmeter.

В гидротехническом строительстве очень широко используются решетчатые элементы. Эти конструкции применяются и в других отраслях народного хозяйства (рис.1).

По конструкции и форме решетчатые элементы различаются весьма разнообразно. Это могут быть решетки, изготовленные из вертикальных или горизонтальных прутьев, отличающихся по форме поперечного сечения. Решетки также бывают перфорированные с коридорным и шахматным расположением отверстий.

В гидротехническом строительстве имеется понятие «решетки» и «сетки». Решетка подразумевает наличие продольных или поперечных прутков либо планок, тогда как сетка - обязательное наличие и продольных и поперечных прутков или планок.

Нас интересуют конструкции решеток, которые используются именно в гидротехническом строительстве. Особенностью этих решетчатых элементов является то, что они, как правило, стационарно закреплены, полностью перекрывают поток или пролет сооружения. По

условиям эксплуатации решетки периодически очищаются. Решетки могут быть расположены фронтально или под углом (в плане) к гидротехническому сооружению.

Рисунок 1 - Область применения решетчатых элементов

В литературе [1, 2, 4, 5] освещены методы расчета решеток. Гидравлический расчет решеток (сеток) сводится к определению параметров самой решетки и потерь напора на ней. Для вычисления величины потерь напора при проходе потока через решетку следует учитывать следующие гидравлические зависимости.

1 Зависимость величины потери напора от степени стеснения живого сечения потока.

Если обозначить толщину прута через Б, а расстояние между прутьями через Ьь то степень стеснения живого сечения потока может быть выражена формулой:

Б

\

* + Ь

= К.

(1)

При малых скоростях воды у входа (У=0,1 - 0,2 м/с) величина зазора практически мало влияет на величину потери напора (ДЬ=1 -1,5 мм).

V6! У

При больших скоростях потери напора значительно

£

увеличиваются; так, например, при У=0,5 м/с и К =----------=0,25 АЬ

достигает 10 мм; при У=0,6 м/с и К = 0,25 АЬ = 14 мм и т.д.

2 Зависимость величин потери напора от отношения ширины

Г /4

стержня (I) к зазору (А )

Опыты показали, что минимум потерь напора имеет место при

1.1.5

К

При понижении скорости V влияние отношения — постепенно

Ъ1

сглаживается и при V = 0,2 м/с вообще мало заметно.

Так, например, при — = 1,5 и V = 0,60 м/с АЬ достигает 14 мм.

3 Зависимость величины потери напора от толщины стержня.

Ширина стержня I оказывает значительное влияние на форму струи в зазоре между стержнями, а следовательно, и на потерю напора при проходе воды через решетку.

При малой величине I сжатая при входе в решетку струя не успевает расшириться и с большей скоростью поступает в поток ниже решетки, вследствие чего происходит интенсивное гашение энергии с большей потерей напора. С другой стороны, потери напора на трение воды о поверхность стержней решетки увеличиваются с увеличением ширины стержня.

4 Зависимость величины потери напора от толщины стержня. Толщина стержней решетки в вызывает потерю напора главным

образом, вследствие сжатия струи при входе в решетку и вихреобразований за ней. Чем больше толщина стержней, тем больше сжимается струя и увеличивается вихреобразование за решеткой.

Величина зазоров в решетке также влияет на условия прохождения потока через решетку.

Чем меньше просвет между прутьями при равных размерах толщины стержней в и ширины их I, тем скорее происходит расширение струи, сжатой при входе в решетку.

Наименьшие потери напора получаются при I = 45 ... 50 мм;

— = 1,5 и - =4,5.

Ъх я

5 Зависимость величины потери напора от формы поперечного сечения стержня.

Если потери напора при прямоугольных стержнях принять за 100 %, то для стержней с закругленными краями потеря напора составит 62 %, для клинообразных стержней - 35 %.

Согласно А.Р. Березинскому, потери напора при прохождении воды через решетку определяются:

(

М = Ы

V

2,3| ^ 1 + 8 + 24

-1

—эта, (2)

2^

где N - коэффициент, учитывающий форму поперечного сечения стержней решетки: для прямоугольных сечений Ы= 0,504, для прямоугольных с закругленными краями N=0,308, для клинообразных Ы= 0,182; а - угол наклона решетки к линии горизонта.

При устройстве металлической решетки из полосового железа повышается статическая прочность ее, но затрудняется процесс очистки решетки механическим путем или с помощью обратной промывки; при применении электрообогрева решеток расход электроэнергии при прямоугольных стержнях увеличивается до 50 % по сравнению с расходом электроэнергии, необходимой для электрообогрева решеток с круглыми стержнями.

Для металлических решеток наиболее целесообразно применять прутья круглой формы диаметром 12... 16 мм.

Для расчета решеток и сеток авторы [1, 2, 4, 5] предлагают следующее.

Для определения коэффициентов сопротивлений сеток в общем случае можно использовать формулу:

3

Сс=\6шп2 /(Яеа\ёсоз0,5тип) + Скв; (3)

Ке = уа/и,

где т = а/Г - коэффициент живого сечения; а - ширина щели; Г - шаг расположения щелей; V - средняя скорость в ячейках сетки; Яе - число Рейнольдса; О - коэффициент кинематической

вязкости; £кв - коэффициент данного местного сопротивления в квадратичной области.

В гидротехническом строительстве наиболее часто применяются сетки с коэффициентом живого сечения 0,3 < т < 0,85. Для определения С,с зависимости от числа Яе рекомендуются формулы:

Яе < 5 (1,18-т) / (1,05 -да)

С = (92-78да)/Ыев; (4)

5 (1,18 - от) / (1,05 - от) < Яеа < 2200 (1,18 - от) / (1,05 - от) ^

С = (92-78от)/Кев+0,7(1,05-от);

Ыев> 2200 (1,18-да)/(1,05-да) с = 0,7(1,05-да);

Для учета частичного загрязнения сетки следует вводить коэффициент 1,2... 1,3.

Для определения значений сопротивления решеток при фронтальном подходе потока к ним используют формулу А.Р. Березинского с поправкой В.Б. Дульнева:

=с(3[8 /(Б + Ъ)16[2,Ъ11Ъ + Ъ + 2,4ЫЦ$та-,

с = 1/(1-VI)2,

где Иэ = С11П1 + с1п2 - суммарная высота поперечных элементов; £?, Щ - высота и число промежуточных опорных балок; б/, П2 - диаметр и число распорносвязных элементов; Ь - высота

решетки в свету; р - коэффициент формы стержня; Б - толщина стержня решетки; Ь -ширина просвета между стержнями; 1 - ширина стержня.

При косом расположении решетки в плане £ равен:

= 2с^/?вт а. (8)

Коэффициент сопротивления плоской (тонкостенной) решетки зависит от коэффициента живого сечения

формы краев отверстий, а также от числа Рейнольдса Яе = Уотвс1отв / у . Вычисляется он по формулам:

<Г= (9)

рух ! 2

где Др - потеря полного давления; р - плотность жидкости.

Мы предлагаем использовать решетчатый элемент (решетку) в качестве чувствительного элемента расходомера [3]. Чувствительный элемент состоит из продольных и поперечных

планок.

Геометрические размеры решетки определяем исходя из

геометрических размеров типового внутрихозяйственного канала:

^ = (Ктв - Л - 0.02) /0.118; (10)

Х = А- 0.118 + 0.02; (11)

В = ф- 0.02)/0.121; (12)

7 = £• 0.121+ 0.02, (13)

где А - количество ячеек по вертикали (округляем до целого в меньшую сторону при большом А , округляем до целого при малом A )',hcme ~ глубина в створе наблюдения; А - величина запаса на установку по вертикали (д= у, -х) устанавливается, основываясь на правилах гидрометрии (для

одно- и двух точечного способа измерений): для hcme ^ 0,75 м А =0,1 м; для hcme > 0,75 м < 1,5м

А =0,2-0,3 м; 0,02 - толщина планки, с учетом проведенной оптимизации, м; 0,118 - дайна ячейки + толщина планки, с учетом оптимизации, м; X - высота решетки, м; В - количество ячеек по

горизонтали (округляем до целого в меньшую сторону); Ь - ширина канала по дну, м; 0,121 -

ширина ячейки + толщина планки, с учетом оптимизации, м; Y - ширина решетки, м.

Определяем активную площадь решетки:

Fp=X-c-k + (Y-k-c)-c-n (14)

5

где к -количество вертикальных планок решетки, п - количество горизонтальных планок решетки, с - ширина планки.

Для выполнения гидравлического расчета решетки (чувствительного элемента) необходимо учесть следующие особенности предлагаемой конструкции расходомера:

- решетка частично перекрывает поток, тем самым уменьшает площадь живого сечения канала на величину активной площади решетки.

- с точки зрения гидравлики решетка является местным сопротивлением на пути потока;

- решетка является подвижным элементом расходомера, поэтому при изменении угла наклона решетки изменяется и гидродинамическое давление, которое характеризуется коэффициентом сопротивления;

загрязнение чувствительного элемента недопустимо, коэффициент на загрязнение решетки в формулах опускаем.

Исходя из особенностей конструкции расходомера функциональная зависимость гидродинамического давления выражается следующей формулой: р = /'(Re. /•’.«).

Библиографический список

1. Знаменский, Н.И. Проектирование и строительство речных водоприемников/ Н.И.Знаменский: под общей ред. A.C.Коган. - М.: Изд-во Мин. ком. хоз-ва РСФСР, 1952. - 90 с.

2. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик: под ред. К.т.н. М.О. Штейнберга. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.

3. Расходомер жидких сред в открытых водоемах/ A.C. Овчинников, A.A. Пахомов, K.M. Мелихов, H.A. Колобанова. Патент № 86300 от 20 августа 2009 г.

4. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П.Г. Киселева. Изд. 5-е. -М.: «Энергия», 1974. - 312 с.

5. Штеренлихт, Д.В. Гидравлика: учебник для вузов / Д.В. Штеренлихт. - М.: Колос, 2004. - 656 с.

E-mail: [email protected])