Научный электронный журнал КубГАУ . № 02(10), 2005

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 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,

где     Р – 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;

          – 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,

где     m – 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)

где     А – 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.   

Научный электронный журнал КубГАУ . № 02(10), 2005