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.
![](image004.jpg) ![](image005.jpg)
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;
![](image008.gif)
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;
![](image012.gif)
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.
![](image018.jpg)
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.
![](image024.gif) (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.
|