Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кубанский государственный аграрный университет

Статья

на тему: Расчет подпорно-перегораживающего устройства для дождевальной машины "Кубань"

Выполнил:

Луговой А.А.

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 КубГАУ.

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 ;

- коэффициент заложения откосов ;

- ширина канала по дну, м .

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:

,

где b - ширина наклонной стенки по дну, м;

B - ширина поплавка, м;

где u - ширина уплотнительного контура;

- ширина отверстия в наклонной стенке, м;

- условие беспрепятственного пропуска всасывающего патрубка ДМ "Кубань",

P T,

гдеР - высота порога наклонной стенки, м;

Т - высота поплавка в горизонтальном положении, м;

где - сухой запас (защита от переполнения верхнего бьефа), м.

Из рисунка 1 видны геометрические зависимости:

и (1)

где p - расстояние от линии пересечения стенки и дна канала до порога стенки, м; подпорно-перегораживающий дождевальная машина

- угол наклона, рад;

H - высота гребня наклонной стенки над дном канала, м;

- 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:

;

где - ширина меньшего основания трапецеидального поплавка, м;

где u - ширина уплотнительного контура, м;

, - условие горизонтальности нижнего положения поплавка,

гдеm - 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 .

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.

(2)

где Q - общий расход через ППУ, м³/с;

- расход неподтопленной части струи, м³/с;

- расход подтопленной части струи, м³/с.

Расход неподтопленной части струи определяется по формуле

(3)

где коэффициент расхода отверстия, учитывающий потери напора и степень сжатия струи;

z - перепад, м;

Н - глубина воды в верхнем бьефе, м;

В - ширина поверхности струи, м; в свою очередь она определяется по формуле:

где- угол наклона к горизонту поплавка-затвора, рад;

- угол наклона к горизонту неподвижной стенки ППУ, рад.

Расход через подтопленную часть отверстия с учетом скорости подхода определяется из выражения:

, (5)

где - коэффициент расхода;

? - площадь отверстия, м²;

V - скорость течения воды на подходе к сооружению, м/с.

Интегрируя выражение (3) получим:

, (6)

или с учетом (4):

. (7)

Рассмотрим выражение для определения . Полагая, что

??

и пренебрегая малой величиной скоростного напора на подходе к сооружению находим:

(8)

Подставляя полученные значения расходов и в исходное уравнение (2) определим суммарный расход через ППУ, допуская, что :

. (9)

Преобразуем далее в вид

. (10)

Произведение безразмерного коэффициента и коэффициента расхода ? обозначим новым коэффициентом:

. (11)

Теперь окончательно:

. (12)

Таким образом, теоретический расчет позволяет утверждать, что величина расхода через ППУ будет пропорциональна приведенному коэффициенту расхода , разности котангенсов углов наклона неподвижной стенки и затвора, и величине .

Следует учитывать, что расход, определяемый по формуле (12) не может превышать расход, пропускаемый отверстием шириной 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:

, (13)

гдеА - коэффициент, учитывающий совместное влияние наклона неподвижной стенки и бокового сжатия;

- 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 от угла наклона поплавка, при фиксированном угле наклона неподвижной стенки.

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 приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Экспериментальные значения коэффициента

С достаточной точностью осредняет экспериментальные значения () линейное уравнение:

, (14)

где - угол наклона поплавка-затвора, град.

Таким образом, для расчета расхода, протекающего через ППУ в период поддержания уровня воды в нижнем бьефе, можно пользоваться уравнением:

. (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 и перепаде м.

Имеется комплект рабочих чертежей для изготовления ППУ с расчетными характеристиками.

Размещено на Allbest.ru