Содержание к диссертации
Введение
Глав 1. Обоснование необходимости проведения исследований. 12
1.1. Техническая характеристика и особенности оросительных систем 12 расположенных в равнинных условиях Волгоградского Заволжья.
1.2. Существующие конструкции расходомеров и счетчиков количества жидкости. 26
1.2.1. Расходомеры с сужающими устройствами при переменном перепаде давления . 27
1.2.2. Расходомерные трубы. 29
1.2.3. Расходомеры переменного уровня. 31
1.2.4. Расходомеры обтекания. 32
1.2.5. Турбинные, шариковые и роторно - шариковые тахометрические расходомеры и счетчики . 37
1.2.6. Камерные расходомеры и счетчики. 39
1.2.7. Силовые расходомеры. 4J.
1.2.8. Вихревые расходомеры. 42
1.2.9.Тепловые расходомеры. 43
1.2.10. Электромагнитные расходомеры. 44
1.2.11. Акустические расходомеры. 45
1.2.12. Оптические расходомеры. 47
1.2.13. Ионизационные расходомеры. 48
1.2.14. Ядерно - магнитные расходомеры. 48
1.2.15. Парциальные расходомеры. 49
1.2.16. Концентрационные расходомеры. 50
1.2.17. Меточные расходомеры и корреляционные расходомеры. 51
1.3. Методы и средства учета воды на открытых каналах. 53
1.3.1. Русловой метод учета воды. 53
1.3.2. Гидравлический метод учета воды. 58
1.4. Основные требования к средствам водоучета. 60
1.4.1. Основные требования к водомерным устройствам для каналов с малыми уклонами. 64
1.4.2. Требования к водомерным устройствам и водомерам регулятором при наличии значительных перепадов уровней. 64
1.4.3. Конструкции предлагаемых водомерных устройств и водомеров -регуляторов. 65
Глава 2. Разработка конструкции лабораторной установки и методика проведения исследований. 66
2.1. Проектирование и расчет лабораторной установки. 66
2.1.1. Подбор насосно - силового оборудования. 68
2.1.2. Проектирование лотка канала для проведения исследований . 68
2.2. Методика проведения исследований. 68
2.2.1. Методы и средства измерения и контроля основных параметров. 68
2.2.2. Методика определения гидравлических параметров лотка. 69
2.2.3. Методика определения гидродинамического давления и скоростей движения жидкости. 69
2.2.4. Методика определения коэффициента сопротивления пластины -лопасти ( или диска) погруженной в поток жидкости. 72
2.2.5. Методика определения распределения гидродинамического давления на пластину - лопасть ( или диск ). 73
Глава 3. Исследование гидродинамических водомерных устройств при отсутствии гидравлических перепадов и малых уклонах каналов . 74
3.1. Водомерное устройство с погруженной в поток вертикальной плоской лопастью или круглым плоским диском. 75
3.1.1. Теоретическое обоснование принципа действия водомерных устройств . 77
3.1.2. Определение коэффициентов сопротивления лопасти и диска. 78
3.1.3. Определение распределения гидродинамического давления на лопасть или диск со стороны верхнего и нижнего бьефов. 88
3.1.4. Определение соотношения вычисленных скоростей ПС гидродинамическому давлению со средней скоростью потока и влияния степени перекрытия сечения канала погруженным элементом. 88
3.1.5. Рекомендации по окончательной конструкции водомерных устройств. 96
3.1.6. Рекомендуемая методика по проведению замеров и определению расхода воды в каналах. 99
3.2. Водомерное устройство с вертикальной лопастью, погруженной в поток жидкости на параллелограмной подвеске. 101
3.2.1. Теоретическое обоснование применения параллелограмной подвески. 101
3.2.2. Конструкция водомерного устройства и его установка на водомерном створе. 107
3.2.3. Тарировка и эксплуатация водомерного устройства.
Глава 4. Автоматизация подачи заданных расходов воды при наличии гидравлических перепадов . 115
4.1. Обоснование метода подачи заданного расхода при наличии гидравлических перепадов и применении авторегуляторов уровня воды в сочетании с водосливами. 115
4.2. Конструкция автоматизированного трубчатого водовыпуска. принцип действия и его основные параметры. 116
4.3. Гидравлические исследования автоматического трубчатого водовыпуска. 121
4.3.1. Состав, методика, точность исследований и использованная аппаратура. Конструкция модели авторегулятора. 121
4.3.2. Определение пропускной способности автоматизированного трубчатого водовыпуска. 126
4.3.3. Исследование работы автоматизированного трубчатого водовыпуска в автоматическом режиме. 166
Глава 5. Производственные испытания. 18Л
5.1. Результаты производственных испытаний водомерных устройств к авторегуляторов смешанного регулирования. 1 81
5.2. Рекомендации по эксплуатации водомерных устройств и автоматизированных водовыпусков. 184
5.3. Технике - экономические показатели. 186
Заключение и выводы 189
Список литературы. 191
Приложения. 1,2,2,4. 201
- Расходомеры с сужающими устройствами при переменном перепаде давления
- Турбинные, шариковые и роторно - шариковые тахометрические расходомеры и счетчики
- Проектирование лотка канала для проведения исследований
- Теоретическое обоснование принципа действия водомерных устройств
Расходомеры с сужающими устройствами при переменном перепаде давления
В настоящее время в промышленности и на оросительных системах приме-ется большое количество различных конструкций расходомеров и счетчиков личества жидкости. [ 10, 11, 12, 14, 22, 24, 31, 39, 40, 41, 42, 57, 65, 66, 72, 79, ,84,88,89,92,95,96, 102, 108, 111, ИЗ, 116]. Существующие расходомеры и счетчики количества можно условно раздеть на приведенные ниже группы. Приборы, основанные на гидродинамических методах: 1) переменного переда давления, 2) переменного уровня, 3) обтекания, 4) вихревые, 5) парциаль-ie. Приборы с непрерывно движущимся телом: 6) тахометрические, 7) силовые в том числе вибрационные), 8) с автоколеблющемся телом. Приборы, основанные на различных физических явлениях: 9) тепловые, 10) ектромагнитные, 11) акустические, 12) оптические, 13) ядерно-магнитные, ) ионизационные. Приборы, основанные на особых методах: 15) меточные, 16) корреляцион-іе, 17) концентрационные.
Из числа приборов первой группы следует отметить широко распространен-,ie расходомеры переменного перепада давления с сужающими устройствами фавнительно новые, но весьма перспективные вихревые расходомеры. Во вторую группу входят многочисленные турбинные, шариковые, и камер-[е (роторные, с овальными шестернями) и другие счетчики количества и час-чно расходомеры. Приборы силовые и с автоколеблющимся телом пока еще іеют ограниченное применение.
Из приборов третьей группы наибольшее распространение получили элек-омагнитные. Реже встречаются тепловые и акустические приборы. Расходомеры оптические, ядерно-магнитные и ионизационные применяются авнительно редко.
Меточные и концентрационные расходомеры, относящиеся к четвертой утте, служат для разовых измерений, например при проверке промышленных сходомеров на месте их установки. Корреляционные приборы перспективны я измерения расхода двухфазных веществ.
Расходомеры переменного перепада давления основаны на зависимости от схода перепада давления, создаваемого устройством, которое установлено в убопроводе, или же самим элементом последнего [ 57 ]. В состав расходомера входят: преобразователь расхода, создающий перепад вления; дифференциальный манометр, измеряющий этот перепад и соедини-гсьные трубки между преобразователем и дифманометрорм. При необходимо-и передать показания расходомера на значительное расстояние к указанным ем элементам добавляются еще вторичный преобразователь, преобразующий ремещение подвижного элемента дифманометра в электрический и пневма-ческий сигнал, который по линии связи передается к вторичному измери-пьному прибору. Если первичный дифманометр имеет интегратор, то такой «бор измеряет не только расход, но и количество прошедшего вещества. В зависимости от принципа действия преобразователя расхода данные рас-домеры на шесть самостоятельных групп, внутри которых имеются конст-ктивные разновидности преобразователей:
Они основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого жающим устройством, в результате которого происходит преобразование сти потенциальной энергии потока в кинетическую. Расходомеры с гидравлическим сопротивлением основаны на зависимости расхода перепада давления, создаваемого гидравлическим сопротивлением, жим потока в таком сопротивлении стремятся создать ламинарным, с тем обы перепад давления был бы пропорционален расходу. Применяются полные расходомеры преимущественно для измерения малых расходов. $.Центробежные расходомеры созданы на основе зависимости от расхода пе-пада давления, образующегося в закруглении трубопровода в результате йствия центробежной силы в потоке. В качестве преобразователей применя-ся колено или кольцевой участок трубы. Чаще всего они служат для измере-[я расхода воды и реже газа.
.Расходомеры с напорным устройством, в котором создается перепад давле-гя в зависимости от расхода в результате местного перехода кинетической ергии струи в потенциальную.
Для измерения расхода воды и газа в трубах большого диаметра использу-гся осредняющие напорные трубки расположенные по двум перпендикулярам диаметрам. Расходомеры с напорным усилителем имеют преобразователь расхода, в тором сочетаются напорное и сужающее устройство. Перепад давления в них здается как в результате местного перехода кинетической энергии струи в тенциальную, так и частичного перехода потенциальной энергии в кинетиче-:ую. Напорные усилители применяются в основном при небольших скоростях га-зых потоков, когда перепад давления, создаваемый напорными трубками, не статочен. Расходомеры ударно - струйные основаны на зависимости от расхода репада давления, возникающего при ударе струи. Струя вытекающая из «сенного отверстия входной трубки, создает давление во внутренней полости фона, снаружи которого действует меньшее давление, равное давлению ухо-щей жидкости в выходной трубке. Ударно - струйные расходомеры приме-ются лишь для измерения малых расходов жидкости и газа.
Турбинные, шариковые и роторно - шариковые тахометрические расходомеры и счетчики
Тахометрическими называются расходомеры и счетчики, имеющие подвиж-щ, обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорцио-льна объемному расходу. т подразделяются на турбинные, шариковые, роторно-шаровые.
Измеряя скорость движения подвижного элемента, получаем расходомер, а меряя общее число оборотов- счетчик количества. Для создания тахометри-ского расходомера скорость движения элемента надо предварительно преоб-зовать в сигнал, пропорциональный расходу и удобный для измерения. Турбинные расходомеры. Турбинные преобразователи расхода могут быть с аксиальной и с тангенци-ьной турбиной. У первых лопасти расположены по винтовой линии, а ось впадает с осью потока. У вторых ось перпендикулярна к направлению пото-, а прямые лопасти расположены радиально по отношению к оси. (рис. 2.5.1.) Зависимость числа оборотов п в единицу времени от расхода Q0 у аксиаль-)й турбинки выражается в общем виде уравнением: n = (p(QQ,v,p,M_,D,d.,d%o,z,l,H), \е: V яр - кинематическая вязкость и плотность измеряемой жидкости, Мс эмент сопротивления тахометрического преобразователя, D - диаметр Рис. 1.2.5.1. убопровода, dH и dB - наружный и внутренний диаметры лопастей турбинки, z - число, а / - осевая длина лопастей, Н - шаг лопастей по винтовой линии. Для тангенциальной турбинки критерий H/D будет отсутствовать, а / будет означать высоту лопастей. Шариковые расходомеры. Шариковыми расходомерами называются тахометрические расходомеры, ідвижньїй элемент которых- шарик - непрерывно движется по кругу. Это іижение обеспечивается винтовым направляющим аппаратом, закручиваю-им поток, или тангенциальным подводом измеряемого вещества. Роторно - шаровые расходомеры. У роторно - шаровых расходомеров в отличие от шариковых, шар движется ; по кругу, а вращается вокруг своей оси под воздействием потока измеряемо- вещества. Иногда эти приборы называют расходомерами с левитирующим аром, или расходомерами с гидродинамической подвеской ротора. Они пока І нашли широкого применения.
Камерными называются тахометрические расходомеры и счетчики, подвиж-ые элементы которых приходят в движение (непрерывное, или периодическое) од давлением измеряемой жидкости, или газа и при этом отмеривают опреде-енные объемы, или массы измеряемого вещества.
Некоторые разновидности камерных приборов применяются в качестве водо и газосчетчиков. При этом их подвижные элементы обычно через зубчатый едуктор соединены с счетным механизмом. Несмотря на трение в последних БОЛЬШИНСТВО камерных счетчиков имеют высокий класс точности, для жидко-ти ±(0,2-1)%. Камерные приборы сложнее турбинных и шариковых, поэтому іалопригодньї при больших расходах измеряемого вещества. Их редко приме-гяют в трубах, диаметр которых более 200 мм. Кроме того, они весьма чувстви- ельны к механическим примесям и требуют хорошей фильтрации. Камерные счетчики имеют большое число различных разновидностей. Все и могут быть обьеденены в три группы:
Приборы 1-й группы состоят из одной, или нескольких мерных камер, кото-:е последовательно опорожняются и заполняются. К ним относятся опроки-івающие, вращающиеся барабанные, приборы с колеблющимся колоколом, етчики без движущегося разделительного элемента - наиболее точные. Но и служат для измерения лишь небольших расходов и только при ограничен-м давлении измеряемого вещества.
Представитель приборов 2-й группы - газосчетчик с эластичными стенками ух, или более камер, которые последовательно заполняются и опорожняются и их непрерывном возвратно-поступательном движении. Подобные приборы нее находили применение при измерении газа, расходуемого мелкими потре-телями.
Приборы 3-й группы имеют наибольшее число разновидностей и применяйся чаще других. Они состоят из жесткой камеры, в которой при непрерывном ремещении одного, или нескольких разделительных элементов (поршня, дис-, роторов...) осуществляется отмеривание объемов жидкости, или газов. Поршневые счетчики могут быть однопоршневыми и многопоршневыми с ленчатым валом, или распределительным диском. Они отличаются высокой чностью и применяются для измерения расхода нефтепродуктов. Роторные счетчики отличаются друг от друга формой и числом роторов. По-едние могут быть одинаковыми, например восьмеркообразными, трапеции-льными, или же различными. Широко применяются в качестве газосчетчи-в.
Зубчатые счетчики имеют две резко отличные друг от друга разновидности: етчики с овальными шестернями и счетчики винтовые, состоящие из двух-ех роторов винтовой формы. Те и другие предназначены для измерения жид :тей, причем винтовые лишь при весьма малых расходах. Основное применив имеют счетчики с овальными шестернями для измерения жидкости call различной вязкости, в том числе и очень высокой.
У кольцевых счетчиков кольцо совершает сложное движение. Оно катится утри цилиндрической камеры и одновременно скользит вдоль перегородки, оделяющей отверстия для входа и выхода. Погрешность ± (0,2-0,5)%. Благо-ря удобству разборки и чистки применяются для измерения жидкостей в пи-:вой промышленности.
У дисковых счетчиков диск с шаровой пятой совершает сложное колеба-іьное движение между конусообразными поверхностями камеры
Лопастные счетчики могут быть со скользящими, или же со складывающиеся лопастями. Наибольшее применение имеют первые. При вращении ци-ндрического ротора внутри измерительной камеры лопасти скользят в проре-І ротора. Лопасти имеют либо кулачковое управление, либо движутся, упи-ясь пружинами в стенку камеры. Они предназначены для измерения расхода щкости в трубах диаметром 100-200 мм. Погрешность измерения ± 0,2%. Ковшевые счетчики состоят из ротора крестообразной формы, на котором реплены оси четырех полуцилиндрических ковшей. Под влиянием разности влений на ковши, находящиеся у входа и выхода жидкости, ротор вращается, ш этом ковши поворачиваются вокруг своих осей, но так, что их наклон к го-зонтальной оси счетчика остается неизменным.
Проектирование лотка канала для проведения исследований
Исходя из требуемого расхода в натуре до 0,7 м /с, и масштаба исследуемых моделей 1 : 3 выбран насос 6К - 12 с расходом до 45 л/с, и требуемой мощностью 10 кВт. Учитывая довольно продолжительное время работы установки электродвигатель принят с запасом мощности - 15 кВт.
Размеры лотка - канала приняты в зависимости от пропускной способности и глубины наполнения. В результате основной канал - лоток имеет следующие размеры: ширина - 0,85 м., глубина - 0,6 м., длина - 13,4 м., уклон дна - 0,001 Последний особого значения не имеет, так - как лоток, как правило, работает і подпорном режиме, как и каналы на оросительных системах. Расход воды в лотке определяется двумя трапецеидальными водосливами J начале и в конце лотка. Уровни воды перед водосливами замеряются шпиценмасштабами с точностью до 0,1 см. Глубина воды в лотке измерялась мерными линейками с точностью 0,5 мм. Пьезометрический напор и гидродинамическое давление определялись і помощью микропьезометров с точностью 0,25 мм. 2.2.2. Методика определения гидравлических параметров лотка. Расход лотка определялся мерными трапецеидальными водосливами шириной по дну 0,5 м., и заложением откосов 1 : 0,25 и коэффициентом расход 0,42. Скорость движения воды в лотке (средняя) определялась по формуле: 9 =Я где Q - расход, м3/с, со - площадь поперечного сечения, м2. Уклон дна канала определен нивелированием, а гидравлический уклої поверхности воды с помощью мерных реек и шпиценмасштабов приведенных і общему нулю. Коэффициент шероховатости - п определен из формулы коэффициент! Шези: где С - коэффициент Шези, м 5/с; R - гидравлический радиус, м., п -коэффициент шероховатости.
Распределение гидродинамического давления определялось следующиг образом: - на лопасти были просверлены приемные отверстия по горизонтальным и вертикальным створам по краям лопасти, в средней части і по вертикальной оси лопасти. С тыльной стороны лопасти были припаянь патрубки для присоединения микропьезометров. Так как батарея пьезометрої состояла из 10 шт., а отверстий сделано 19, то замеры производилис] поочередно. При этом один пьезометр оставался на своей позиции, для связі первого и второго замеров и для контроля за сохранением гидравлической режима. Замеры вначале производились со стороны верхнего бьефа, а затем с( стороны нижнего бьефа. Разница замеров давала величину гидродинамическоп давления, а распределение его представлялось на графиках. - на диске распределение гидродинамического давления определялосі аналогично, только приемные отверстия располагались по двум взаимн перпендикулярным диаметрам по вертикали и по горизонтали - всего К отверстий, то есть замеры так же производились в две очереди с сохранение! контрольных пьезометров. Распределение давления так же представлялось ] виде графиков. плава 3. Исследование гидродинамических водомерных устройств при словиях отсутствия гидравлических перепадов и малых уклонах каналов.
Для учета воды на открытых оросительных системах водомерные посты борудуют датчиками или самописцами уровня с последующей обработкой (анных с помощью вычислительных машин, если имеется функциональная іависимость между уровнем воды и расходом, проходящим через водомерный гост. Если такой зависимости нет, то устраивают специальные водомерные вооружения и устройства, которые создают определенный подпор уровня или іерепад уровней, преобразующийся потом в определенный расход и объем годанной воды.
Для равнинных условий при машинной водоподаче в систему создание тодпора - это дополнительные затраты электроэнергии. В связи с этим имеются разработки водомерных устройств без создания подпоров и терепадов. Это как правило, одноточечные способы измерения скоростей ютока воды, которые потом преобразуются в величину расхода и стока воды. Эднако одноточечные измерения дают значительные погрешности в определении расхода - до 15-20 %. Более точные результаты дает измерение жорости и расхода воды по всей глубине канала на осевой вертикали. Эта идея реализована в предлагаемых водомерных устройствах.
В настоящее время на оросительных системах Волгоградской области учет воды проводится на гидрометрических постах (створах) вертушками. Русло канала в створе, как правило фиксированное, т. е. облицовано железобетонными плитами или монолитным бетоном. Если по оси канала проходит поток воды с максимальной скоростью, то можно вывести зависимость общего расхода канала от средней скорости потока на осевой скоростной вертикали с помощью многократных замеров гидрометрическими вертушками.
Теоретическое обоснование принципа действия водомерных устройств
Изучением обтекания потоком различных элементов занимались многие /ченые - Леонардо да Винчи, Ньютон И., Жуковский Н.Е., Эйлер, Гельмгольц "., Киргоф Г., Биркгоф и другие [ 15, 57 ].
Известно водомерное устройство с круглым диском, поворачивающимся вокруг оси, у верхней его кромки. При повороте диска даже на малый угол резко меняется картина обтекания и величина гидродинамического давления. Поэтому достаточно сложно выявить зависимость между углом отклонения и расходом воды, особенно при изменении степени турбулентности потока, и обязательно требуется тщательная тарирование.
При проведении исследований двух типов предлагаемых нами водомерных устройств измерялись уровни воды шпиценмасштабами над порогом водосливов, по длине главного лотка, а также по рейкам, величина силы сопротивления определялась динамометром, плечи рычагов - мерной линейкой, скорость движения воды - легкими, средними и глубинными поплавками. Уровень воды в лотке регулировался шандорами, а величина расхода воды - задвижкой на напорной трубе насоса.
Работа первого водомерного устройства изучалась при 2-х размерах лопасти, второго при 5-й размерах диска. Определялись: расход воды, сила гидродинамического давления на лопасть или диск, удельное давление, площадь поперечного сечения потока в лотке, средняя скорость воды, скорости движения поплавков, смоченный периметр, гидравлический радиус, число Рейнольдса и коэффициент лобового сопротивления. Скорость движения воды в зоне расположения лопасти или диска устанавливалась с помощью различных типов поплавков.
Результаты исследований представлены в табл. 3.1.2.1., 3.1.2.2., и 3.1.2.3. Из таблицы видно, что коэффициент лобового сопротивления для лопасти шириной 0,12 м Сц= 2,072, для лопасти шириной 0,175 м CD= 2,085, средний коэффициент лобового сопротивления CD= 2,081.Для круглого диска значение коэффициента лобового сопротивления следующее CD= 2,075.
Таким образом, можно считать, что утверждение Г. Биркгофа о величине коэффициента лобового сопротивления справедливо CD приблизительно равен І. В нашем случае Со при округлении до сотых равен 2,08.
Из приведенных данных видно, что гидродинамическое давление )аспределяется на лопасти и на диске практически равномерно. Кроме того, на юпасти величину гидродинамического давления выраженную в слое воды ложно замерить шпиценмасштабами. Разница замеров перед лопастью и за іей равна равна гидродинамическому давлению.
Коэффициент К\ характеризует неравномерность распределения скоростей сонкретного канала в зависимости от шероховатости и динамической структуры потока в створе измерения. В данном случае коэффициент К\ характеризует неравномерность распределения скоростей в опытном лотке -санале при различных расходах. В производственных условиях величину этого соэффициента необходимо установить при детальных измерениях на многих жоростных вертикалях, а затем перейти к одной вертикали и в одной точке при ізвестном значении коэффициента К\.
В производственных условиях при большой площади поперечного сечения :аналов погруженный элемент (например лопасть шириной 0,1 м) :ущественного влияния на уменьшение скорости потока оказать не может, так :ак составляет по площади всего доли одного процента от площади потока. Зднако, для малых каналов и небольших скоростях потока с целью получения ущественных усилий от гидродинамического давления, чтобы их можно было юстоверно замерить динамометром, приходиться увеличивать площадь югружаемого элемента. Зависимость коэффициентов К\ и К\ от степени герекрытия поперечного сечения канала погружаемым элементом [редставлена в табл. 3.1.4.1.и на рис. 3.1.4.1., из которых видно, что юэффициент К\ возрастает в зависимости от степени перекрытия по равнению с коэффициентом К\ и при перекрытии 1...2% они практически »авны.
