Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Современное состояние и перспективы развития орошения 11
1.2. Анализ конструктивных решений дождевальных аппаратов по патентной и научно-технической литературе 19
1.3. Технологические требования сельскохозяйственного производства к дождевальной технике, преимущества и недостатки дождевания 38
1.4. Анализ энергетических затрат при работе дождевальных машин 43
Выводы, цель и задачи исследований 49
2. Теоретическое обоснование конструкции дождевального аппарата турбинного типа 51
2.1. Теоретические и экспериментальные аспекты дробления жидкости на капли с помощью дождевальных аппаратов и насадок 51
2.2. Качественные показатели и энергетические характеристики зоны искусственного дождя 54
2.3. Взаимодействие потока жидкости с лопастями дождевального аппарата турбинного типа 64
3. Методика экспериментальных исследований работы дождевального аппарата турбинного типа ... 75
3.1. Общая методика экспериментальных исследований 75
3.2. Программа и методика экспериментальных исследований и испытаний дождевального аппарата турбинного типа 76
3.3. Методика определения работоспособности дождевального аппарата турбинного типа 77
3.4. Методика определения расходно - напорных характеристик дождевального аппарата турбинного типа 79
3.5. Методика определения скорости вращения дефлектора дождевального аппарата турбинного типа 82
3.6. Методика расчета плотности вероятности дальностей полета капель 84
3.7. Обработка результатов многофакторного эксперимента 86
3.8. Методика определения интенсивности дождя по радиусу полива.
3.9. Методика определения равномерности распределения дождя при работе дождевального аппарата турбинного типа 90
3.10. Методика определения диаметра капель.. 92
3.11. Методика расчета диаметра дюз для установки дождевального аппарата турбинного типа на дождевальную машину «ФРЕГАТ» ДМУ Бн-463-72 96
3.12. Методика статистической обработки опытных данных 98
4. Результаты исследований работы дождевального аппарата турбинного типа и их анализ 100
4.1. Обоснование конструкции и конструктивных параметров дождевального аппарата турбинного типа 100
4.2. Расходно-напорные технико-эксплуатационные характеристики дождевального аппарата турбинного типа 105
4.3. Результаты определения равномерности распределения дождя на ДМ «Фрегат» с дождевальным аппаратом турбинного типа 120
4.4. Результаты исследований интенсивности дождя по радиусу полива 125
4.5. Результаты определения диаметра капель у дождевального аппарата турбинного типа 129
5. Методика расчета оптимального размещения аппаратов на трубопроводе и экономическая эффективности использования дождевального аппарата турбинного типа 133
5.1 Оптимизация расстояния между дождевальными аппаратами турбинного типа 133
5.2 Методика расчета оптимального размещения дождевальных аппаратов на трубопроводе 140
5.3 Экономическая эффективность использования дождевального аппарата турбинного типа 143
6. Общие выводы 153
Литература 156
Приложения 168
- Анализ конструктивных решений дождевальных аппаратов по патентной и научно-технической литературе
- Качественные показатели и энергетические характеристики зоны искусственного дождя
- Методика определения расходно - напорных характеристик дождевального аппарата турбинного типа
- Расходно-напорные технико-эксплуатационные характеристики дождевального аппарата турбинного типа
Введение к работе
Обоснование актуальности темы. Получение высоких и стабильных урожаев сельскохозяйственных культур в засушливых зонах Северного Кавказа возможно только при дополнительном орошении. Наибольшее распространение в орошаемом земледелии получило дождевание. В Российской Федерации дождеванием поливается до 90% всех орошаемых земель, на Северном Кавказе орошение дождеванием составляет 82% орошаемой площади.
До 1990 года площади орошаемых земель непрерывно увеличивались, однако в годы реформ орошаемые площади резко сократились. В настоящее время число дождевальных машин уменьшилось почти в 3 раза. На орошаемых полях Ставропольского края остались только два типа дождевальных машин - ДДА-ЮОМА и ДМ "Фрегат" со сроками службы 15-20 лет, которые нуждаются в восстановлении и модернизации. Широкозахватная дождевальная машина "Фрегат" кругового действия, изготавливаемая по лицензии США с 1972 года, нашла наибольшее распространение в орошаемом земледелии и, в настоящее время, составляет более 60% от оставшегося парка дождевальных машин. Однако, искусственный дождь, создаваемый средне-струйными аппаратами, установленными на базовых моделях машины, не отвечает современным требованиям. Крупные капли дождя, диаметром до 2,4 мм, образующиеся при работе этих аппаратов, разрушают почвенную структуру, угнетают растения, уплотняют верхний слой почвы, что приводит к поверхностному стоку воды и смыву почвы. В результате чего наблюдается деградация почвенного покрова, полив становится экологически опасным. Из-за отсутствия необходимых моделей аппаратов и нарушением схемы их расстановки равномерность распределения искусственного дождя снизилась. Коэффициент эффективного полива (КЭП) составляет 0,5 - 0,6, при норме КЭП = 0,7. С целью снижения рабочего напора на входе в машину до 0,45 МПа вместо 0,65 МПа, а также необходимостью проведения экологически
безопасного полива, дождевой пояс машины подвергался неоднократной модернизации. Вопросами модернизации ДМ «Фрегат» занимались многие научно-исследовательские институты и организации такие как ВНПО «Радуга», «УкрНИИГиМ», «ВолжНИИГиМ», «СтавНИИГиМ» и др., однако проведенные исследования не позволили, до настоящего времени, полностью решить проблему резкого улучшения качества и снижение энергоемкости полива. Поиск рациональных конструкций низконапорных дождевальных аппаратов привел к созданию целой серии разнообразных по конструкции и техническим характеристикам дождевальных устройств. Перед учёными и конструкторами ставилась задача создания рабочего органа для ДМ "Фрегат" обеспечивающего - простоту конструкции, надежность и долговечность, низкую стоимость, возможность работы при пониженных давлениях, сохранение эксплуатационных показателей в течение года, отсутствие точек смазки, возможность создания моноблока, объединяющего в одном корпусе дождевальный аппарат и задвижку, возможность применения 'на дождевальных модулях, обеспечение унификации типоразмеров, обеспечение защищённости конструкции от механических повреждений.
Для соблюдения агробиологических и экологических требований конструкция дождевального аппарата должна обеспечивать равномерность распределения воды на орошаемом участке при КЭП>07, исключать механические повреждения растений каплями искусственного дождя, обеспечить выдачу поливной нормы без образования стока.
Соблюдение этих требований и создания монодисперсного распыления оросительной воды с диаметрами капель искусственного дождя, находящихся в пределах d=0,8- 1,2мм повысит качество полива. Повышение качества полива дождеванием - одно из направлений обеспечивающих получение дополнительной продукции и экономию оросительной воды.
В настоящее время в основных направлениях агропродовольственной программе правительства Российской Федерации на 2001-2010 годы ставится задача восстановления дождевальной техники, создание новых высокотехно-
логичных конструкций дождевальных аппаратов, обеспечивающих экологически безопасный полив и экономию энергоресурсов. В связи с этим, создание дождевального аппарата нового поколения весьма актуально и имеет большое практическое, научное и экономическое значение.
Связь работы с научными программами, планами, темами Диссертационная работа выполнялась в соответствии с темой № 36.2.1 плана НИР СтГАУ, «Исследование показателей работы и совершенствование процессов эксплуатации тракторов, комбайнов и мелиоративной техники».
Цель и задачи исследования Цель: Повышение эффективности функционирования ДМ «Фрегат» за счет снижения затрат энергии и обоснование конструктивной схемы и параметров дождевального аппарата турбинного типа.
Задачи исследований
-Определить математическую модель равномерного распределения жидкости по поверхности орошения за счет постоянного поперечного сечения струи между лопастями дождевального аппарата турбинного типа.
-Представить теоретические положения взаимодействия потока жидкости, с выпукло-вогнутыми лопастями дождевального аппарата турбинного типа.
-Уточнить технологический процесс и технические режимы работы дождевального аппарата турбинного типа.
-Разработать компьютерную программу, позволяющую определять средний диаметр капель при работе дождевальных аппаратов.
-Разработать методику оптимального размещения аппаратов на трубопроводе и расчета диаметра дюз по условиям равномерного полива. Объект исследования
Технологический процесс распределения поливной воды с помощью дождевального аппарата турбинного типа. Предмет исследования
Закономерности процесса распределения поливной воды дождевальным аппаратом турбинного типа.
8 Методы исследований
Исследования проводились в соответствии с РД 10.11.1-89., программой и методами испытаний (машины и установки дождевальные), с анализом состояния вопроса по использованию дождевального аппарата турбинного типа, проведенными теоретическими исследованиями и поставленными задачами. Что предусматривает:
-Определение работоспособности дождевального аппарата турбинного типа в зависимости от конструктивных особенностей, таких как: число и форма лопастей, угол закругления лопастей.
-Определение расходно-напорных характеристик дождевального аппарата.
-Определение скорости вращения дефлектора дождевального аппарата турбинного типа, с использованием датчика «Baseline 300», в зависимости от напора перед аппаратом.
-Определение интенсивности дождя по радиусу полива в зависимости от
расходно-напорных характеристик дождевального аппарата.
-Определение равномерности распределения дождя при работе дожде
вального аппарата турбинного типа. ;
Определения диаметра капель при работе дождевального аппарата турбинного типа.
Расчет диаметра дюз для установки дождевального аппарата турбинного типа на дождевальную машину «ФРЕГАТ» ДМУ Бн - 463- 72. -Обработку результатов эксперимента на основе статистических методов с использованием ЭВМ; для анализа полученных результатов использовались дисперсионный и регрессионный анализы с применением критериальной статистики.
-Определение экономической эффективности использования дождевального аппарата на ДМ «Фрегат».
9 Научная новизна
Научная новизна исследования состоит в разработке теоретических положений инженерного расчета взаимодействия потока жидкости с выпукло-вогнутыми лопастями дождевального аппарата турбинного типа; в определении математической модели равномерного распределения жидкости между лопастями дождевального аппарата турбинного типа; в уточнении технологического процесса и технических режимов дождевального аппарата турбинного типа; в разработке компьютерной программы, позволяющей определять средний диаметр капель при работе дождевальных аппаратов. Практическая значимость полученных результатов -состоит в реализации конкретных технических решений: дождевальный аппарат турбинного типа (патент на изобретение № 2257051); распылитель жидкости турбинного типа (патент на изобретение № 2262991); свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ (№ 2005611337 «Компьютерное измерение размеров»); в применении дождевального аппарата турбинного типа на ДМ «Фрегат».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Обоснование структурных схем режимов и параметров дождевального аппарата турбинного типа с выпукло-вогнутыми лопастями на основе математической модели.
Результаты исследования технологического процесса работы дождевального аппарата турбинного типа с изменяющимися параметрами выпукло-вогнутых лопастей.
Результаты технологических процессов равномерности распределения жидкости между выпукло-вогнутыми лопастями при истечении из аппарата турбинного типа.
Методика оптимизации размещения аппаратов на ДМ «Фрегат» и расчет диаметров дюз.
Компьютерная программа «КИР» - для измерения диаметра капель.
10 Сведения об апробации результатов диссертации
Основные результаты исследования доложены на научно-технических конференциях ФГОУ ВПО СГАУ в 2003, 2004, 2005 годах, Кубанского государственного аграрного университета в 2003, Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии в 2006 году.
Опытный образец дождевального аппарата турбинного типа был представлен на и удостоен диплома на 3-й ежегодной выставке - ярмарке «Промышленный потенциал Ставрополья», диплома первой степени на выставке «Агроуниверсал 2005», диплома 3 степени на X Международной выставке конгресс «Высоких технологий. Инноваций. Инвестиций.», (HI-TECH 2005) г. Санкт Петербург 2005, на VI-ом Московском международном салоне инноваций и инвестиций в 2006 году, на конкурсе «Биотехнологические проекты, разработки и продукция» Международного фонда биотехнологии им. академика И.Н. Блохиной в 2006 году, по результатам которых награждён дипломами и медалями.
Сведения о публикациях по теме диссертации
Опубликована статья в центральном журнале «Научная мысль Кавказа» по перечню ВАК России. Опубликовано 11 статей в сборниках научных трудов СГАУ, Азово-Черноморской ГАА, Ставропольского технологического института сервиса, Кубанского государственного аграрного университета, Северо-Кавказского государственного технического университета, получено 2 патента на изобретение № 2257051 «Дождевальный аппарат турбинного типа»; №2262991 «Распылитель жидкости турбинного типа»; свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005611337 «Компьютерное измерение размеров».
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения 5, глав, общих выводов и приложений, списка использованной литературы, включающего 108 наименований. Содержит 155 страниц основного текста, 51 рисунок, таблиц, приложения на 32 страницах включают таблицы и акты внедрения и дипломы.
Анализ конструктивных решений дождевальных аппаратов по патентной и научно-технической литературе
При конструировании ДА разработчики стремились к тому, чтобы создаваемый ими дождь по своим агробиологическим и агроэкологическим показателям приближался к естественному моросящему дождю и наносил как можно меньше вреда почве и растениям. Как показал опыт внедрения дождевальной и поливной техники, орошение имеет помимо положительных и ряд отрицательных моментов.
Поэтому при разработке новых и совершенствовании существующих ДМ и ДА необходимо исследовать вопрос: каково должно быть предельное внесение воды на почву и растения, чтобы это не способствовало негативным явлениям: эрозии и ударным разрушительным воздействиям (в т. ч. и угнетающим) на растения. Это, прежде всего, зависит от структуры дождя т.е. от конструкции дождевальных аппаратов и схемы их размещения на дождевальной машине, так как, к дождю, создаваемому аппаратами и насадками, и к орошению предъявляются определённые агропочвенные, мелиоративные, экологические и др. требования. Исходя из вышеизложенного, необходимо проанализировать эти требования. Это, проанализировать эти требования. Это, прежде всего, относится к конструкции ДА и схемам их размещения на ДМ.
В современных дождевальных машинах применяется в основном гидравлический способ распыления капель. За счёт увеличения давления уменьшается диаметр капель, повышается скорость их движения. Однако при этом возрастают энергозатраты на создание дождя требуемого качества. В последние годы идёт тенденция снижения напора в дождевальных машинах. Поэтому, чтобы при этом не ухудшалось качество дождя, идет поиск рациональных конструкций дождевальных аппаратов, в которых используются дополнительно и другие способы распыления: с предварительным дроблением, газонасыщением, вращением, колебательным эффектом и т.д., которые позволили бы, без увеличения энергозатрат создать дождевое облако высокого качества с низкой степенью эрозионного воздействия на почву и рядом других, более лучших технико-экономических и эксплуатационных параметров.
С целью снижения энергоемкости и обеспечения более качественного полива многоопорными дождевальными машинами необходимо совершенствовать дождеобразующие устройства, т.е. дождевальные аппараты. В поливной технике (стационарных и переносных трубопроводах, дождевальных машинах) для преобразования струи воды в дождевальные капли применяют дождевальные аппараты (ДА) и насадки (ДН) различного типа /79, 41, 83, 76,/.
В хозяйственных условиях эксплуатации наибольшее распространение получили короткоструйные насадки, работающие при давлении 0,05...0,25 МПа и струйные аппараты - при давлении 0,2...0,8 МГТа. Короткоструйные насадки дефлекторного типа применяли ранее на двухконсольном агрегате типа ДДА. Струя воды, выходя из отверстия сопла, обтекает конус дефлекто 20 pa и принимает форму конической пленки, при распаде которой отдельные капли орошают площадь в виде круга /79/.
Учеными ЮжНИИГиМ была разработана и внедрена конусно-дефлекторная насадка, состоящая из корпуса, дефлектора и конусной вставки, корпус представлял собой совокупность двух фигурных бобышек с резьбой, соединенных между собой тремя ребрами. Конусная вставка переменного диаметра: от 12 до 15 мм, количество - 52 шт. Результаты испытаний показали, что диаметр конуса разбрызгивания насадки составляет 5,4 м , средний диаметр капель - 0,552 мм /41/.
Результаты совместных исследований СтавНИИГиМа с УкрНИИГи-Мом привели к созданию ДДА-100 МА с секторными насадками (52 шт.), которые размещались на водопроводящем трубопроводе, и были различного проходного сечения (от 10 до 13 мм). Проведённые исследования показали, что установка короткоструйных секторных насадок (рисунок 1,2) позволила получить следующие показатели: средняя интенсивность дождя при скорости ветра до 1,5 м/с - 2,4 мм/мин; средний диаметр капель - 1,2 мм;- ударное воздействие капель дождя на почву и растения - 1 кг/см ; коэффициент эффективного полива - 0,82, /83/.
Секторная насадка В дальнейшем эти насадки стали применяться на двухконсольном агрегате нового поколения ДДА-ЮОВХ. Обширные исследования в области со 21 вершенствования насадок для ДДА-100МА были выполнены ВолжНИИГи Мом, в т. ч. для приземного дождевания и поверхностного полива /79/.
Короткоструйные насадки секторного действия (рисунок 1.3) использовались на дождевальной машине «Кубань». Они равномерно распыляют воду с относительно малым размером капель (0,9...1,1 мм) и требуют небольших затрат энергии для образования дождя /41, 83/. Данные насадки применяются на дождевальных машинах «Кубань», а также при модернизации ДМ «Фрегат» /63, 64, 74, 75, 76 /.
Исследования показали, что водопроводящий канал этой насадки выполнен в виде двух участков: входного, в виде конфузора с углом при вершине, и выходного - в виде цилиндрического сопла определенного диаметра и длины /23/. Такая конструкция приводит к значительным гидравлическим потерям. Проведенные исследования показали, что изменение профиля водо-проводящего канала (уменьшение угла при вершине конфузора с 30 до 13 -15 и длины цилиндрического сопла в несколько раз) при той же схеме расстановки на водопроводящем трубопроводе позволило при том же расходе снизить давление перед насадкой на 3,5...10,7%. и в конце машины на 0,05...0,15 МПа /23/. Параметры дождя усовершенствованной конструкции насадки обладают лучшими показателями, чем ДМ «Кубань».
Учёные ВНПО «Радуга» предлагают несколько типов малорасходных дождевателей и дождевальных комплектов, предназначенных для использо 22 вания на полу стационарной или стационарной оросительной сети /49/. В качестве рабочего органа данных средств полива приняты малорасходные дождевальные аппараты (МДА), дефлекторные насадки кругового и секторного действия (таблица 1.3).
По сравнению с насадками малорасходный дождевальный аппарат образует дождь с более мелкими каплями. Отношение H/d для МДА составляет 8333 и для насадок - до 1250. Насадка кругового действия создаёт дождь интенсивностью до 0,4 мм/мин. Такая насадка применяется там, где требуются частые поливы (овощные и др. влаголюбивые культуры) /49/.
Качественные показатели и энергетические характеристики зоны искусственного дождя
Из таблицы следует, что затраты мощности на образование капель дождя и передвижение машины по полю весьма невелики и составляют 6,8-9,1%. Следовательно, основная мощность тратится на придание каплям кинетической энергии, определяющей геометрические параметры зоны искусственного дождя и потери на гидравлическое трение по длине водопроводящего трубопровода ДМ "Фрегат". Снижение энергетических затрат на распыл, в дождевальном аппарате позволит значительно снизить общие энергетические затраты на производство полива.
Проведенный обзор и анализ состояния орошаемого земледелия в России и зарубежом позволяет сделать следующие выводы: 1. Высоконапорные дождевальные машины не отвечают требованиям по качеству полива и затратам энергии. Так как используемые дождевальные аппараты, устанавливаемые на базовых моделях ДМ образуют крупные капли дождя, которые разрушают почвенную структур, возрастает сила удара капель, угнетаются растения, уплотняется верхний слой почвы, что приводит к поверхностному стоку воды и смыву почвы. В результате этого наблюдается деградация почвенного покрова, полив становится экологически опасным. 2. Сравнительный анализ по элементам энергозатрат в дождевальных машинах показал что наибольшее количество энергии затрачивается для создания зоны искусственного дождя.что составляет до 55%, от всей потребляемой энергии дождевальной машиной «Фрегат». Это свидетельствует о несовершенстве дождевальных аппаратов и их высоких энергетических затратах на создание дождя. 3. Рассмотренные конструктивные решения ДА для преобразования подаваемой воды в дождь используют различные конфигурации преобразо вателей в виде конуса, полусферы, криволинейных участков и т. д., имеют большое число деталей, и сложную конструкцию. 4. Конструирование и исследование дождевальных аппаратов должно идти в направлении не только увеличения срока их службы, уменьшения эксплуатационных затрат, улучшения структуры и качества дождя, но и на удовлетворение современным агротехническим, экологическим и др. требованиям. 5. Практически отсутствуют конструкции, в которых для превращения воды в мелкодисперсную структуру дождя использовались различные вращающиеся формы, т.е. ДА турбинного типа, в которых вода выполняла бы несколько функций: для вращения аппарата, преобразования воды в дождь, в качестве смазки трущихся поверхностей и т. д. Для решения проблемы снижения энергоемкости и улучшения качества полива была выработана рабочая гипотеза, состоящая в следующем: Повышение эффективности работы дождевальных машин с использованием дождевального аппарата турбинного типа возможно при сохранении кинетической энергии потока жидкости за счет постоянного поперечного сечения прохождения струи между лопастями дождевального аппарата. Решение и оптимизация выдвинутых положений позволит разработать дождевальный аппарат, работающий при низком напоре, что снизит энергетические затраты и обеспечит высокое качество полива. В соответствии с вышеизложенным целью научно-исследовательской работы является: Повышение эффективности функционирования ДМ «Фрегат» за счет снижения затрат энергии и обоснование конструктивной схемы и параметров дождевального аппарата турбинного типа. Задачи исследований -Определить математическую модель равномерного распределения жидкости по поверхности орошения за счет постоянного поперечного сечения струи между лопастями дождевального аппарата турбинного типа. -Представить теоретические положения взаимодействия потока жидкости, с выпукло-вогнутыми лопастями дождевального аппарата турбинного типа. -Уточнить технологический процесс и технические режимы работы дождевального аппарата турбинного типа. -Разработать компьютерную программу, позволяющую определять средний диаметр капель при работе дождевальных аппаратов. -Разработать методику оптимального размещения аппаратов на трубопроводе и расчета диаметра дюз по условиям равномерного полива. Вода, подаваемая на орошаемую площадь дождеванием, при движении по определённой траектории распадается на капли различных размеров. Траектория струи может быть разбита на три части: компактную; раздробленную и распыленную /19/. Наибольший интерес представляет распыленная часть, так как она состоит из множества капель различных размеров, выпадающих на определённую площадь. Процесс образования капель при распаде дождевальных струй очень сложен и изучен пока недостаточно полно. Особую трудность представляет определение среднего диаметра капель, от которого зависит ряд очень важных параметров дождевания. Задавая определённые и необходимые размеры капель для тех или иных целей, возможно определение параметров рабочих органов дождевального оборудования, степени равномерности полива, проведения оценки эффективности орошения. Как отмечается в работе /84/, размер капель определяет следующие параметры дождевания: 1.Деформация зоны дождя под воздействием ветра; 2Лотери на испарение и снос ветром; 3.Уплотнение почвы и уменьшение скорости фильтрации; 4.Проникновению в толщу растительного покрова; Размер капель, образующихся при дроблении струи, зависит от типа дождевального аппарата или насадки, скорости истечения жидкости, диаметра выходного отверстия сопла или ширины щели, а также физико-механических свойств воды и воздуха. Из теории подобия гидромеханических процессов, характеризующих распад дождевальных струй, определяю-щими являются критерии Фруда (Fr), Эйлера (Ей), Рейнольдса (Re), а также Вебера (We). Причиной первичного распада дождевальных струй является, прежде всего, внутренняя энергия самого потока, которую характеризует число Рейнольдса / 40/. Чем больше это число, тем больше энергия и интенсивность турбулентных пульсаций, которые снижают устойчивость струи и способствуют возрастанию возможности отрыва локальных образований жидкости. Если размеры этих элементов превышают критические, то процесс образования мелких капель идёт под воздействием окружающей среды и определяется критерием Вебера. Как показал в своей работе М.С.Волынский, при значениях We =12-14 в зоне дождя не остаётся ни одной не распавшейся капли, причём, крупная капля может быть раздроблена на различное число мелких капель/26/.
Методика определения расходно - напорных характеристик дождевального аппарата турбинного типа
Согласно исследованиям Грина X. и Лейна В. /30/, при попадании жидкости на вращающийся диск или опрокинутый конус, возможно получить мелко дисперсный распыл жидкости. Образующиеся на краю диска пленка жидкости, под действием центробежных сил, отрывается, распадаясь на капли. Поэтому для исследования нами был принят дождевальный аппарат, с углом конусности дефлектора 120, который представлен на рисунке 3.1. Угол конусности дефлектора 120 был рекомендован в работе Лебедева Б.М. для достижения наибольшего радиуса полива, т.к. это позволяет создать угол схода жидкостной пленки с дефлектора равным 30 /55/. Для регулировки расхода путем погружения конусного дефлектора в полость корпуса, использовался дефлектор с углом конусности 45. Конструкция дождевального аппарата турбинного типа представлена на рисунке 3.1.
Работоспособность дождевального аппарата турбинного типа оценивалась в зависимости от способности вращения конусного дефлектора на направляющем стержне. В свою очередь нами была исследована способность вращения конусного дефлектора с различным числом лопастей при различной форме лопасти. Лопасти изготавливались путем наклеивания пластика на конусную поверхность дефлектора дождевального аппарата, таким образом, чтобы дефлектор вращался в сторону откручивания регулировочной гайки. Было исследовано более 25 различных видов лопастей при их различном расположении на конусном дефлекторе. Аппараты, у которых дефлекторы не вращались или останавливались в процессе работы, характеризовались как не работающие. Напор изменялся от 10 до 60м., а площадь выходного отверстия от 8,6 до 340мм2.
После определения количества и формы лопастей, были исследованы дождевальные аппараты, у которых без торможения и остановок вращался конусный дефлектор. Экспериментальные исследования заключались в определении оптимального угла закругления лопастей, закрепленных на дефлекторе. Исследовался угол кривизны лопастей: 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, при степени открытия проходного сечения от 18,6 до 340,0 мм . Угол закругления лопасти р, измерялся между вектором окружной скорости и вектором относительной скорости. Схема расположения лопастей, а также измерения угла р представлена на рисунке 3.2.
В соответствии с программой и методами испытаний (машины и установки дождевальные), РД 10.11.1-89. /69/, были исследованы расходно-напорные характеристики дождевального аппарата турбинного типа.
Для определения расходно-напорных характеристик дождевального аппарата турбинного типа была создана лабораторная установка. Структура установки представлена на рисунке 3.3. Лабораторная установка для испытаний насадок и дожде вальных аппаратов Лабораторная установка состоит из питающего резервуара 1, с запиты-вающим трубопроводом 2, скважины с обсадной трубой 3, скважного погружного насоса 5 с электродвигателем 4, напорного трубопровода 6 с регулировочным краном 7. В конце напорного трубопровода монтировался дождевальный аппарат 8, над которым располагался стеклянный колпак 9, служащий для сбора воды и наблюдения за работой дождевального аппарата. Для фиксации давления перед дождевальным аппаратом устанавливался контрольный манометр 10. Мерный бак 11 был оборудован указателем уровня 12.
В соответствии с инструкцией. /104/. Перед пуском насоса ЭЦВ 6-10-80 было обеспечено необходимое количество воды в скважине. Запас воды необходим для охлаждения электродвигателя, т.к. работа электродвигателя, даже на короткое время, не допускалась без наличия воды, причем нижний торец электродвигателя был выше фильтра (дна) скважины, как минимум на Іметр. Уровень воды, над верхним торцом насоса, был не менее 1 метра для обеспечения необходимого подпора. Перед включением электронасос погружался в воду и выдерживался в воде не менее 15 минут. При пуске электронасоса регулировочный кран на напорном трубопроводе был открыт на 1/3. После пуска насоса вода подавалась к насадке или дождевальному аппарату. Необходимый напор устанавливался с помощью регулировочного крана. Насос ЭЦВ 6-10-80 обеспечивал напор до 85 м. при расходе до 3.3 л/с. Расход воды аппаратом или насадкой вычислялся по формуле: 3.5. Методика определения скорости вращения дефлектора дождевального аппарата турбинного типа, с использованием датчика «Baseline 300»
Одним из основных параметров, характеризующих работоспособность дождевального аппарата турбинного типа, является скорость вращения дефлектора. С целью определения величины этого параметра, использовалась лабораторная установка с датчиком «Baseline 300» фирмы SIGMA SPORT. Схема лабораторной установки представленная на рисунке 3.4.
Лабораторная установка состоит из водонапорного трубопровода 1, с регулировочным краном 2, мерного бака 3, дождевального аппарата 4. Дождевальный аппарат 4 крепится с помощью переходника в конце напорного трубопровода 1, по центру мерного бака 3. На краю верхней части конусного дефлектора крепится магнит 5, а на противоположной стороне уравновешивающий грузик 6. Контакт 7, соединен с датчик «Baseline 300» 8, и находится на 2...Змм. выше магнита 5. Стеклянный колпак 9, служит для сбора воды и наблюдения за работой дождевального аппарата. Для фиксации давления перед дождевальным аппаратом установлен контрольный манометр 10. Мерный бак оборудован указателем уровня 11.
Расходно-напорные технико-эксплуатационные характеристики дождевального аппарата турбинного типа
По результатам полученных расчетных материалов определим экономическую эффективность использования дождевального аппарата турбинного типа за весь срок службы. Расчеты экономической эффективности сравниваемых вариантов представлены в приложении. Результаты экономического расчета представлены в виде таблице 5.7.
Приведенная технико-экономическая оценка применения дождевального аппарата турбинного типа позволяет сделать следующие выводы: - мелкодисперсная структура дождя модернизированных ДМ «Фрегат» позволяет увеличить урожайность выращиваемых культур в среднем на 4,2 ц корм. ед. с одного гектара. - чистый дисконтированный доход за весь период эксплуатации (15 лет) составляет для варианта Б 720 тыс. руб., для варианта В 924,6 что на 23%, 40% больше чем с применением серийного аппарата. -стоимость комплекта дождевального аппарата турбинного типа изготовленного из пластика на 66,3% дешевле серийного аналога. -срок окупаемости дождевальной машины оборудованной ДАТТ составил для варианта Б 3,1 года, для варианта В 2,8 года оборудованной серийными аппаратами 3,3 года. В предлагаемой диссертации изложены результаты исследований по повышению эффективности работы дождевальных машин и установок с использованием дождевального аппарата турбинного типа. Обоснованность исходных предпосылок, аналитических и теоретических исследований, справедливость сделанных выводов подтверждена полевыми экспериментами. Результаты поведенных исследований позволили сделать следующие выводы: 1. Повышение эффективности функционирования дождевальных машин достигается снижением затрат мощности кинетической энергии потока жидкости за счет постоянного поперечного сечения прохождения струи между лопастями дождевального аппарата турбинного типа для каждого режима полива различных видов культур. 2. С применением закона сохранения количества движения получены уравнения взаимодействия потока.жидкости с лопастями дождевального аппарата турбинного типа, где учитывается угол закругления, количество и форма лопастей. Определена математическая модель с оптимальным количеством лопастей и формой лопастей дождевального аппарата турбинного типа, где угол закругления лопасти равен 45, количество лопастей - 16шт, форма лопастей выполнена в виде треугольника с выпукло-вогнутыми поверхностями. 3. На основании выполнены теоретических и практических исследований обоснованы параметры и режимы работы дождевального аппарата турбинного типа, лопасти которого выполнены в виде кривостороннего треугольника, что обеспечивает одинаковое расстояние между ними, равномерное и устойчивое вращение, оптимальную степень дробления струи на капли, максимальный радиус полива. 4. Разработана методика определения диаметра капель - : «Компьютерное измерение размеров» А.С. № 2005611337, которая позволяет опреде- лять средний диаметр капель при работе дождевального аппарата. 5. Проведенными лабораторно полевыми исследованиями установлено, что разработанный дождевальный аппарат турбинного типа обеспечивает: - регулирование расхода воды от 0,25 до 3,4 л/с, для различных почвенно-климатических условий; - высокую равномерность полива, т.к. коэффициент эффективного полива находится в пределах от 0,68 до 0,74; - мелкодисперсную структуру дождя, средний диаметр капель находится в пределах от 0,62 до 0,88 мм., что позволяет получить прибавку урожая до 15%, по сравнению со среднеструйными дождевальными аппаратами. - сохранение плодородия почвы, т.к. ударное воздействие капель дождя на почву и растения снижается в 1,5-2,0 раза; - проведение поливов при низких напорах в оросительной сети, т.к. дождевальный аппарат турбинного типа начинает работать, от 2 ат. 6. По результатам исследований разработана методика оптимального размещения аппаратов на трубопроводе позволяющая выполнить требования по выдаче проектного распределенного по трубопроводу расхода путем изменения расстояния между аппаратами и диаметра дюз аппараты необходимо устанавливать на расстоянии 9... 10м.. В методике использованы эмпирические уравнения расходных характеристик и оптимального расстояния между ними. 7. По данным исследований разработаны и внедрены конкретные технические решения: - Дождевальный аппарат турбинного типа (Патент на изобретение № 2257051); - Распылитель жидкости турбинного типа (Патент на изобретение № 2262991). 8. Хозяйственные испытания ДАТТ в АОЗТ «Мелиоратор» Труновско-го района показали, что чистый дисконтированный доход за весь расчетный период эксплуатации (15 лет) при оборудовании низконапорной версии ДМ «Фрегат», аппаратами турбинного типа составляет 924,6 что на 40% больше чем с применением серийного аппарата, при сроке окупаемости низконапорной дождевальной машины оборудованной ДАТТ на 5 месяцев меньше, чем у серийного аналога.
