CC BY
33
УДК 626.824
РАСЧЕТ ПОДПОРНО-ПЕРЕГОРАЖИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ДОЖДЕВАЛЬНОЙ МАШИНЫ "КУБАНЬ"
Луговой А. А.- ст. преподаватель
Кубанский государственный аграрный университет
В статье приведены параметры и методика расчета подпорно-перегораживающего устройства (ППУ) для открытых оросительных каналов дождевальных машин. Эмпирические коэффициенты формул для расчета пропускной способности ППУ получены в результате исследования его масштабной модели в гидравлическом лотке научной лаборатории КубГ АУ.
Засушливое кубанское лето в последние годы возродило спрос на дождевальную технику. Только на полях Динского района и города Краснодара в 2003 году эксплуатировалось 11 дождевальной машины (ДМ) "Кубань", орошавших за сезон овощные культуры и десертную кукурузу на площади более 1600 га. В 2004 году число машин увеличится ещё на шесть единиц.
Восстановление каналов-оросителей старых систем требует расчистки, ремонта облицовки, ликвидации просадок. При этом не каждый из них после 10 безнадзорных лет способен обеспечить рабочие глубины по всей длине канала. В некоторых случаях для сокращения затрат целесообразно воспользоваться внедренной в 1987 году на оросительной системе Крымского района конструкцией подпорно-перегораживающего устройства - ППУ (А. с. СССР №1445638, БИ №47, 1988). Устройство разработано для регулирования перепада уровня воды в бьефах оросителя и для автоматического пропуска из бьефа в бьеф всасывающего патрубка ДМ
"Кубань". Простые приспособления позволяют при необходимости переоборудовать сооружение в авторегулятор уровня верхнего бьефа с прекращением подачи воды в нижний бьеф через водопропускное отверстие, т. е. использовать его как подпорную перемычку.
ППУ может быть установлено в каналах-оросителях со следующими параметрами:
- строительная глубина, м Их > 1,0;
- коэффициент заложения откосов т > 1,0;
- ширина канала по дну, м Ък > 0,8.
Геометрические размеры поперечного сечения оросителя определяют габариты неподвижной наклонной стенки и тип поплавка-затвора. Наиболее простой случай - расчет поплавка-затвора прямоугольного поперечного сечения.
В расчетах приняты обозначения, изображенные на рисунке 1.
Рисунок 1 - План размещения ППУ в канале, наклонная стенка и поплавок прямоугольного сечения
При подборе размеров ППУ следует учитывать ограничения:
Ъ = Ък > в,
где Ъ - ширина, наклонной стенки по дну, м;
В - ширина поплавка, м;
В > Во + 2и
где и - ширина уплотнительного контура;
В0 - ширина отверстия в наклонной стенке, м;
В0 > 0,6 - условие беспрепятственного пропуска всасывающего патрубка ДМ "Кубань",
Р = Т,
где Р - высота порога наклонной стенки, м;
Т - высота поплавка в горизонтальном положении, м;
И < Н - Иг,
где Иг - сухой запас (защита от переполнения верхнего бьефа), м.
Из рисунка 1 видны геометрические зависимости:
Р = р эт а 0 и И = 10зт а 0 (1)
где р - расстояние от линии пересечения стенки и дна канала до порога стенки, м;
а0 - угол наклона, рад;
И - высота гребня наклонной стенки над дном канала, м;
Ь0 - длина наклонной стенки, м.
В расчетах поплавка-затвора трапецеидального сечения приняты обозначения, изображенные на рисунке 2.
Рисунок 2 - Наклонная стенка и поплавок трапецеидального
сечения
При подборе размеров ППУ с трапецеидальным поплавком-затвором следует учитывать ограничения:
Ь, < Ьк;
где - ширина меньшего основания трапецеидального поплавка, м;
В > В0 + 2и, где и - ширина уплотнительного контура, м;
В < Ьк + 2Тт, - условие горизонтальности нижнего положения поплавка, где т - коэффициент заложения откоса канала;
(иначе поплавок-затвор ляжет не на дно канала, а на его откосы). После выбора геометрических параметров устройства необходимо произвести гидравлический расчет.
В работе ППУ можно условно выделить два гидравлических режима пропуска расхода воды:
а) наполнение канала (затвор-поплавок лежит на дне или приподнят);
б) поддержание заданного уровня воды в нижнем бьефе.
В первом случае пропускная способность ППУ определяется параметрами неподвижной наклонной стенки. Работа дождевальной машины начинается лишь после наполнения канала оросителя, и поэтому пропускная способность ППУ в этом режиме не является ограничивающим фактором. Кроме того, расходная характеристика ППУ в открытом положении может быть выше, чем параметры подающего в ороситель сооружения.
Во втором случае пропускная способность ППУ определяется параметрами отверстия, образуемого неподвижной наклонной стенкой и затвором-поплавком. Второй режим в наибольшей степени определяет свойства системы регулирования водораспределения, такие как: точность поддержания уровня воды в нижнем бьефе, величина перепада, динамические параметры.
Пропуск воды через ППУ можно представить как истечение через два асимметричных противолежащих подтопленных водослива треугольного профиля с изменением направления потока на 900. Поскольку в литературных источниках рекомендации для расчета подобных водосливов в трапецеидальном канале автором не обнаружены, формула пропускной способности ППУ выведена преобразованием известных гидравлических зависимостей. В основу расчета положено предположение о независимости подтопленной и неподтопленной частей струи.
о=а+ а, (2)
з
где 0 - общий расход через ППУ, м /с;
- расход неподтопленной части струи, м /с;
02 - расход подтопленной части струи, м /с.
Расход неподтопленной части струи определяется по формуле
где т.\ коэффициент расхода отверстия, учитывающий потери напора и степень сжатия струи; х - перепад, м;
Н - глубина воды в верхнем бьефе, м;
В - ширина, поверхности струи, м; в свою очередь она определяется по формуле:
где V - угол наклона к горизонту поплавка-затвора, рад;
а0 - угол наклона к горизонту неподвижной стенки ППУ, рад.
Расход через подтопленную часть отверстия с учетом скорости подхода определяется из выражения:
В = Н (ща - ща0)„
(5)
где т 2 - коэффициент расхода;
• - площадь отверстия, м2;
V - скорость течения воды на подходе к сооружению, м/с. Интегрируя выражение (3) получим:
или с учетом (4):
^ = 15 т\ (с*§а - с*§а о )л^(Н - 32 )22.
(7)
Рассмотрим выражение для определения Q2. Полагая, что
о = (с^а - ^а0 )( - 2) и пренебрегая малой величиной скоростного напора на подходе к сооружению находим:
^ = т 2 (с^а - с^а о)( - 2 )2 (8)
Подставляя полученные значения расходов Q\ и Q2 в исходное уравнение (2) определим суммарный расход через ППУ, допуская, что т = т\ = т2 :
Q = т (^а - ща о) Преобразуем далее в вид
Q = т (^яа - ща о)
(Н - 2)2 +15 (5Н - 3х)
.
(9)
2
2 2 \ 2 \--------+ -
V
3 Н 5 Н
2
2 .
(10)
/
Произведение безразмерного коэффициента
2
, 2 2 \ 2 \-------------+ -
3 Н 5 Н 2
V
и
/
коэффициента расхода • обозначим новым коэффициентом:
т а = т
2
2 2 \ 2
\----------1------2
3 Н 5 Н2
Теперь окончательно:
Q = т а (с^а - сг^ао )Н 2 -Щ2
(11)
(12)
Таким образом, теоретический расчет позволяет утверждать, что величина расхода через ППУ будет пропорциональна приведенному
коэффициенту расхода т а, разности котангенсов углов наклона неподвижной стенки и затвора, и величине Н 2 .
Следует учитывать, что расход, определяемый по формуле (12) не может превышать расход, пропускаемый отверстием шириной В0 в неподвижной наклонной стенке ППУ при полностью открытом затворе-поплавке. По исследованиям водослива (подобного наклонной стенке ППУ) Ю. М. Константинова и Е. А. Гижи величина расхода через наклонный (по течению) водослив с боковым сжатием определяется по формуле:
3 __
Q = Лт0 Во Н , (13)
где А - коэффициент, учитывающий совместное влияние наклона неподвижной стенки и бокового сжатия; т0 - коэффициент расхода вертикального водослива. Экспериментальная проверка пропускной способности модели ППУ при горизонтальном положении поплавка подтвердила возможность использования формулы (13) для расчета расхода с достаточной точностью.
Выявленные зависимости (12) положены в основу экспериментальных гидравлических исследований модели устройства, изготовленной в масштабе 1:4 по критерию гравитационного подобия Фруда.
Исследования пропускной способности ППУ проводились на экспериментальной установке, изображенной на рисунке 3. На первом этапе в соответствии с теорией математического планирования эксперимента был составлен список факторов, оказывающих влияние на гидравлическую характеристику устройства. Отсеивающим экспериментом установлен единственный существенно значимый для исследуемого диапазона фактор -угол открытия поплавка-затвора. Цель дальнейших исследований заключалась в определении зависимости приведенного коэффициента
расхода та от угла наклона поплавка, при фиксированном угле наклона неподвижной стенки.
3
Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки
1 - задвижка; 2 - гаситель-флейта; 3 - гаситель-стенка; 4, 9, 12 - створы установки пьезометров; 5 - мерный водослив; 6 - бак-успокоитель; 7 -гаситель; 8 - трапецеидальный лоток; 9 - клапанный затвор; 10 -неподвижная наклонная стенка; 11 - затвор-поплавок; 13 - регулируемая подпорная перемычка; 14 - коллектор.
Данные исследований для угла наклона неподвижной стенки а0 = 450 приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Экспериментальные значения коэффициента т а
Угол наклона поплавка а,град
Номер серии 30 35 40
1 0,420 0,483 0,648
2 0,470 0,489 0,656
3 0,444 0,495 0,658
4 0,449 0,511 0,648
5 0,438 0,497 0,635
6 0,436 0,512 0,636
7 0,436 0,510 0,626
Среднее значение 0,442 0,500 0,645
Стандартное отклонение 0,015 0,012 0,013
С достаточной точностью осредняет экспериментальные значения (± 5%) линейное уравнение:
т а = 0,02а - 0,18, (14)
где а - угол наклона поплавка-затвора, град.
Таким образом, для расчета расхода, протекающего через ППУ в период поддержания уровня воды в нижнем бьефе, можно пользоваться уравнением:
Q = (0,02а-0,18)(сг£-а-^а0)Н2Л/2§2 . (15)
Экспериментальные исследования на модели и действующем образце подпорно-перегораживающего устройства показали, что гидравлические параметры ППУ обеспечивают пропуск расхода дождевальной машины 180 л/с при угле открытия Аа = 10° и перепаде г = 0,14 м.
Имеется комплект рабочих чертежей для изготовления ППУ с расчетными характеристиками.
