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 |