Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Разработка и исследование стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит" (ЦСКЩ)

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит" (ЦСКЩ)"

Министерство народного образования Республики Кыргызстан

Кыргызский ордена„Знак Почета" сельскохозяйственный институт им. К. И. Скрябина

На правах рукописи

УДК 626.824

ЗАЙЦЕВА Ольга Викторовна ¿^Ь^"

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ РАСХОДА ВОДЫ ТИПА „ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ СТУПЕНЧАТЫЙ КОРОБЧАТЫЙ ЩИТ" (ЦСКЩ)

Специальность 06.01.02—мелиорация и орошаемое земледелие

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек 1992

МИНИСТЕРСТВО НАРОДНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КЫРГЫЗСТАН КЫРГЫЗСКИЙ ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" СЕ^СКОХОЗЛЙСТБЕННЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ К.И.СКРЯБИНА

На правах рукописи УДК- 626.824

ЗАЙЦЕВА ОЛЬГА ВИКТОРОВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ РАСХОДА ВОДЫ ТИПА "ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ СТУПЕНЧАТЫЙ КОРОБЧАТЫЙ 1ШТ" (ЦСШц)

Специальность 06.01.02 - мелиорация и орошаемое

земледелие

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек 1992

Работа выполнена в Кыргызском ордена "Знак Почета" сельскохозяйственном институте им.К.Л.Скрябина.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

чл ен-к орр е словд ент ВАСХКИЯ доктор технических наук, профессор Л.З.ЬСЧКАРЕВ

доктор технических наук, академик АН Республики Кыргызстан Э.Э.МАКОВСШ

кандвдат технических наук, главный конструктор проекта А.И.АВДЕЕЗ

Кыргызский государственный институт по проектированию водохозяйственных объектов "Кыргызгипроводхоз"

Защита состоится " 10

апреля

1992 г. в /О часов на заседании специализированного совета К.120.77.07 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Кыргызском ордена "Знак Почета" сельскохозяйственном институте имени К.И.Скрябина (720453, ГСП, г.Бишкек, ул.Коммунистическая, 68).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кыргызского СХИ.

Автореферат разослан " & " марта 159$ г>

Ученый секретарь

специализированного совета, _

кандвдат технических наук,

доцент ^^ В.Ф.Талмаза

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решающим фактором дальнейшего подъема сельского хозяйства и устойчивого наращивания продовольственного фонда является широкомасштабное развертывание мелиорации земель.

Б республике Кыргызстан как одном из ведущих регионов орошаемого земледелия, где площадь поливньк земель достигает 1,05 млн.га и обеспечивает более 9С % всей продукции полеводства, развитию орошения и мелиорации земель уделяется первостепенное внимание.

В свете вышесказанного наибольшую актуальность приобретает ' интенсификация орошаемого земледелия, одним из основных направлений в развитии которого является строительство новых и реконструкция существующих гидромелиоративных систем с применением энерго-и ресурсосберегающих технологий на основе комплексной автоматизации технологических процессов.

Наиболее перспективной и техшко-экономически оправданной является гвдравлическая автоматизация, основанная на использовании возобновляемой энергии потока воды. Это обусловлено с одной стороны наличием на объектах автоматизации значительных запасов гидравлической энергии потока, с другой - рассредоточенностью збъектов на больших расстояниях. Отмеченное наиболее типично для мелиоративных систем предгорной зоны, в которой и находится больная часть орошаемых земель республики Кыргызстан.

Отличительными особенностями этих оросительных систем явля-отся большие уклоны, скорости потока, перепады уровней и др. ото делает предпочтительным автоматизацию сооружений водоподачи как -¡аиболее массовых на гидромелиоративных системах средствами стабилизации расходов воды,не имеющими подвижных в работе частей т работающих на использовании свойств потока. Их относительная гоостота устройства, эксплуатации, многофункциональность, воз-юкность использования в качестве водомеров, что особенно важно з условиях перехода к рыночной экономике, сделали их незаменимыми т оросительных системах.

На сегодня самое широкое распространение на гидромелиоративных системах предгорной зоны Кыргызстана получили стабилизаторы эасхода воды типа "коробчатый щит". Однако наряду с многочисленный достоинствами данных стабилизаторов, отмеченных выше, они об-гадают рядом существенных недостатков. Это достаточно высокая ме-

таллоемкость за счет устройства массивных закладных частей, возможные нарушения эксплуатационных характеристик из-за возникающих перекосов полотнищ щитов ввиду чрезмерных напряжений в устоях и др.

Как видно из изложенного, в число наиболее актуальных вытекает задача разработки и исследования более совершенных систем стабилизации расходов воды из водозаборных узлов и каналов, позволяющих совместить функции стабилизации водоподачи и водоучета, а также исключить недостатки существующих систем стабилизации расходов.

Разработка и исследование систем стабилизации расходов воды проведены в соответствии с планом научно-исследовательских работ Кыргызского сельскохозяйственного института по теме 13 проблемы 0.05.03.

Цель работы заключается в разработке и исследовании принципиально новых конструкций систем стабилизации расходов воды как средств совершенствования эксплуатации на базе автоматизации водовыпускных сооружений из каналов и водозаборных узлов, позволяющих улучшить эксплуатационные характеристики, сократить металлоемкость, повысить надежность работы водовыпускных сооружений.

Научная новизна. На основании обзора и анализа существующих систем стабилизации расходов воды, их конструктивных особенностей и технологических характеристик доказана необходимость совершенствования конструкций стабилизаторов расхода.

По результатам анализа технологических характеристик сооружений водоподачи на каналах и водозаборных узлах выполнено технологическое обоснование и разработаны компоновочные схемы водовыпус-ков, автоматизированных предложенными стабилизаторами расхода.

Разработаны конструкции стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит".

Получены теоретические зависимости и экспериментально выявлены количественные связи' меаду конструктивными и гидравлическими параметрами стабилизаторов.

Получены водомерные характеристики предложенных стабилизаторов.

Разработана методика инженерного расчета стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит".

Практическая ценность. Предлагаемые системы стабилизации расходов воды позволяют снизить металлоемкость в 3...5 раз по сравнению с получившими наиболее широкое распространение на практике стабилизаторами расхода типа "ступенчатый секционный коробчатый

щит". Предложенные стабилизаторы позволяют значительно увеличить надежность конструкции за счет цилиндрического исполнения полотнища щита, повысить эксплуатационные характеристики водовыпускного сооружения,обеспечив защиту от попадания основной массы наносов в отвод, совместить функции водоподачи и водоучета отводимых расходов, а так^же гарантировать безаварийную работу водовыпускного сооружения.

Реализация работы. Результаты разработок и исследований реализованы в техническом проекте водовыпускного сооружения из межхозяйственного канала в канал-быстроток Аламедин-Норус Кантского района республики Кыргызстан. Расчетный экономический эффект от внедрения стабилизатора расхода составил 3,6 тыс.руб./год.

Разработанная методика инженерного расчета стабилизаторов расхода воила в учебное пособие и применяется в учебном процессе на гидромелиоративном факультете Кыргызского ордена "Знак Почета" СХИ им.К.И.Скрябина.

Типовая методика проектирования передана в проектный институт лкргыгзгипроводхоз.

АпдоСания работы и .~у б ли кацик. Основные положения диссертации докладывались на научных конференциях Кыргызского Сл'Л км.К.И.Скрябина в К€2-1991 гг., на расширенных заседаниях кафедры гидравлики и автоматики Кыргызского СХЛ, научно-технических советах отраслевой лаборатории автоматизированных систем управления в мелиорации Кыргызского СХИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных статей и получено I положительное решение по заявке на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 242 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка и 28 таблиц. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, основных выводов и 4 приложений, списка литературы из 117 наименований.

ССДЕРШИЕ РАЕСТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, раскрыто содержание предмета исследований. Показаны научная новизна и практические приложения выполненной работы.

Б первой г.-аве диссертации дана характеристика и особенности сооружений водоподачи из капаю в и водозаборных узлов оросительных систем предгорной зоны как объектов автоматизации, откуда следует предпочтительность автоматизации водовыпусков гидромелиоративных

систем средствами стабилизации расходов воды отвода.

Обзор и анализ характеристик и особенностей водовыпускных сооружений на каналах и водозаборных узлах предгорной зоны Кыр гызстана позволили сформулировать основные технические условия и требования к способам и средствам стабилизации расходов воды.

Исходя из основных технических условий и требований проведен обзор и анализ существующих и предложенных средств стабилизации расходов воды. В соответствии с классификацией, разработанной профессором Я.В.Еочкаревым, рассмотрим основные группы систем стабилизации расходов воды, в основу которых положены принципы обеспечения постоянства отводимых расходов. На основании разработок и исследований Авдеева А.И., Еерезинского А.Р., Бобохидзе Ш.С., Бочкарева Л.В., Еутырина М.З., Гартунг A.A., Гебель В.Г., Колод-кевичД.М., Колпычева В., Лугового А С., Маковского 3.5., Мельникова Е.И., Мухутдиновой Р.Н., Пикалова Ф.И., Рохман А.И., Рузского Д.П., Старковской Б.Е., Хамадова И.Е. и др. выявлены конструктивные особенности, функциональные характеристики, основные достоинства и недостатки существующих на сегодняшний день систем стабилизации расходов воды.

Проведенный обзор и анализ существующих средств стабилизации расходов воды на каналах и водозаборных узлах и состояния их изученности показал, что они не в полной мере отвечают предъявляемым к ним техническим условиям и требованиям. Конструкции металлоемки за счет устройства массивных закладных частей, недостаточно надежны в работе из-за возникающих перекосов полотнищ щитов ввиду чрезмерных напряжений в устоях.

Исходя из изложенного, был сделан-вывод о,необходимости разработки и исследования более совершенных систем стабилизации расходов воды из каналов и водозаборных узлов, позволяющих совместить функции стабилизации водоподачи и водоучета, а также исключить недостатки существующих систем стабилизации расходов.

Зо второй главе рассмотрены основные технологические принципы автоматизации регулирования водоподачи на водовыпускных сооружен ниях из каналов и водозаборных узлов системами стабилизации расходов.

Отмечено, что в основе функционирования стабилизаторов расхода воды как устройств,не имеющих подвижных в работе частей, лежит техно логический' принцип автоматизации регулирования водоподачи за счет использования гидравлических свойств потока. Поэтому стабилизаторы

б

расхода реагируют только на один вид возмущения (отклонения), преимущественно на колебания уровня воды в верхнем бьефе. Помимо изложенного, рассмотрены другие технологические принципы,лежащие в основе функционирования систем стабилизации (регулирование по отклонению, по возмущению и др.).

Рассмотрены технологические основы автоматизации водоподачи из каналов и водозаборных узлов системами стабилизации расходов воды. Описана технология эксплуатации водовыпускного сооружения, •предусматривающая следующие технологические режимы:

- первичное поступление воды к регулирующему устройству;

- стационарный режим работы водовыпускного сооружения;

- аварийный режим работы водовыпуска;

- опорожнение водовыпускного сооружения.

Подробно рассмотрена работа водовыпуска в каждом из перечис-.ленньк технологических режимов.

Исходя из принятой технологии эксплуатации водовыпускных сооружений рассмотрены технологические- схемы автоматизации водоподачи из каналов и водозаборных"узлов наиболее типичные для мелиоративных систем предгорной зоны Кыргызстана. На основами критического анализа и оценки приведенных технологических схем автоматизации сделан вывод о необходимости совершенствования их с использованием принципиально новых систем стабилизации расходов.

На основании анализа конструктивных особенностей водовыпускных сооружений разработаны основные технические условия и требования к компоновкам водовыпусков.

Исходя из принятых условий и требований разработаны компоновочные схемы водовыпускных сооружений из каналов и водозаборных узлов, автоматизированных принципиально новыми стабилизаторами расхода воды. На основании чего рассмотрены технологические основы функционирования сооружений водоподачи, автоматизированных предложенными стабилизаторами расхода типа цилиндрический ступенчатый коробчатый щит (ЦСлЩ), отвечающих разработанным техническим условиям и требованиям к водовыпускам. Предусмотрены, следующие режимы работы водовыпускных сооружений.

Вода, предварительно очищенная от донных наносов и крупного планика средствами защиты на водозаборном узле или канале, поступает в водоприемную камеру водовыпуска. По мере заполнения водоприемника водой происходит свободное истечение через кольцевой водослив с равномерным увеличением отводимого расхода воды. При

достижении уровнем воды нижних кромок стабилизатора, цилиндрический щит начинает создавать дополнительное сопротивление основному потоку воды.

С момента достижения напором в водоприемнике перед стабилизатором величины минимального расчетного значения ' (до перелива в первую секцию щита). водовыпускное сооружение начинает работать в стационарном режиме. Требуемый расход отвода обеспечивается открытием цилиндрического щита на определенную величину и поддерживается в процессе работы сооружения в стационарном режиме при колебании напоров перед стабилизатором от И min Д° Нта* .

Скончание эксплуатационного периода водовыпускного сооружения соответствует завершению периода работы в стационарном режиме. Водовыпускная камера опорожняется, очищается от осевшего в ней мусора и наносов.

При прохождении по каналу или через водозаборное сооружение аварийных расходов воды водовыпуск работает в аварийном режиме. Конструкция стабилизатора предусматривает непопадание паводковых расходов в отвод. Водовыпускное сооружение проектируется таким образом, что на водозаборном узле аварийный расход уходит на сброс в нижний бьеф сооружения, а на канале уходит транзитом по каналу старшего передка, не попадая в отводящее русло.

В третьей главе на основании выводов, изложенных в первой главе диссертации, дано конструктивное обоснование, принцип действия и схемы работы принципиально новых конструкций стабилизаторов расходов воды, защищенных рядом авторских свидетельств на изобретение.

Конструктивные особенности предложенных стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит" изложены поочередно для трех модификаций стабилизаторов (рис Л)-"цилиндрического ступенчатого коробчатого щита с кольцевыми каналами" (ЦСКЩ-1), "цилиндрического ступенчатого коробчатого щита с осеси-мметричными равновысокими секциями" (ЦСПЦ-П) и "цилиндрического ступенчатого коробчатого щита с внутренним горизонтальным козырьком" шскс-ш.

Каждый из перечисленных стабилизаторов расхода воды представляет собой цилиндрический коробчатый затвор, состоящий из соосно установленных цилиндров I, 2, 3 (рис.1) различной высоты и диаметров, которые в основании соединены с усеченными конусами Г1 , Z' , 3' , нижние торцы которых расположены на одной линии. Перемецает-

Рис. I. Принципиальные схемы стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит": а) с кольцевыми каналами; б) с осесиммет]очными равновысокими секциями; в) с внутренним горизонтальным козырьком

ся затвор при помощи подъемника 4. Нижние кромки конических козырьков расположены на расстояниях CLi , Иг , й} от дна водоприемной камеры (CL, >CL3>a.3) , в которой установлен стабилизатор. Верхняя кромка цилиндрической стенки I при этом находится на уровне расчетного напора /7, , с которого начинается стабилизация расхода, а нижние кромки усеченых конусов 2', 3'- на кривой свободной поверхности потока, вытекающего из-под нижней кромки стенки 1-Х' при минимальном напоре перед стабилизатором и максимальном открытии щита. Еход в водовыпуск, на котором устанавливается цилиндрический щит,представляет собой кольцевой в плане водослив.

В основу функционирования стабилизаторов предложенного типа положены два принципа:

а) стабилизация отводимого расхода воды за счет изменения коэффициента расхода в функции \/Нд ( Ид - действующий напор);б) стабилизация расхода воды отвода за счет изменения площади кольцевого отверстия в функции ]/Нд .

Изменение коэффициента расхода [U обратнопропорционально \/Йд осуществляется устройством цилиндрического коробчатого щита, как известно ^

(U'E9*£yf, (г)

где Ц> - коэффициент скорости;

£ - коэффициент объемного сжатия потока; Т - коэффициент сопротивления истечения. Величина коэффициента скорости должна рассматриваться до и после перелива в коробчатую секцию щита.

Функционирование стабилизаторов расхода предложенного типа заключается в следующем. При напоре Н, истечение происходит из-под стенки 1—1', и кривая свободной поверхности потока проходит, едва касаясь кромок 2' и 3' , которые при этом напире «е влияют на процесс истечения. Б этсм случае Коэффициент скорости (р определяется лишь сопротивлением истечения через кольцевую щель (местное сопротивление).

При увеличении напора больше /V, слой воды переливается через верхнюю кромку цилиндрической стенки 1тI' и, протекая по коробчатому каналу, создает дополнительное сопротивление основному потоку кольцевой щели. Б этом случае

/___

(2)

7*

ю

где 7„ - коэффициент местного сопротивления;

у, - коэффициент сопротивления коробчатой секции щита основному потоку.

Когда пространство между стенками 1-1' и 2-2' заполняется, стенка 1-1' исключается из работы,и истечение происходит ухе из-под стенки 2-2' . При этом площадь внутренней кольцевой щели меньше наружной не только за счет некоторого уменьшения открытия О, , но и за счет уменьшения длины окружности нижней кромки конического козырька В . '

Таким образом, имеет место изменение площади работающего кольцевого отверстия обратнопропорционально величине .

Анализ конструктивных особенностей предложенных стабилизаторов показал, что разделение на секции различной высоты по длине окружности короба у ЦСКП-П и ЦСЖгШ позволяет значительно увеличить диапазон допустимы? колебаний перед стабилизатором по сравнению с ЦСКЦ-1, а наличие дополнительного стабилизирующего элемента - горизонтального козырька у ЦС1{Щ-Ш, улучшает качество работы последнего по сравнению с ЦСНЕ,—П.

3 результате гидравлического обоснования предложенных стабилизаторов расхода получены функциональные зависимости расхода истечения от конструктивных и гидравлических параметров стабилизаторов расхода в общем виде

(з)

где Н - напор перед стабилизатором;

В - диаметр.конического козырька по кромке истечения;

О, - открытие щита;

с£ - диаметр кольцевого водослива;

р - угол наклона конических козырьков;

£ - коэффициент объемного сжатия потока;

<р - коэффициент скорости;

■Ь - толщина коробчатой секции стабилизатора.

Приведенная зависимость (3) легла в основу экспериментальных исследований конструктивных и функциональных особенностей стабилизаторов расхода предложенного типа.

Для определения наиболее рациональной величины угла наклона наружного конического козырька и взаиморасположения нижних кромок конических козырьков проведены теоретические исследования профиля свободной поверхности потока при истечении из-под цилиндрических

щитов с различными углами наклона к горизонту конических козырьков. В результате исследований получены расчетные и графические зависимости для определения координат кривой свободной поверхности потока, вытекающего из-под цилиндрического щита (рис.2):

для вертикального цилиндрического щита ( = 90°)

I

I 1 аг>> 4-n.ifni.n.

2*Я [251а9*Л] ig{U(Mig2fll + 4/U) '

для цилиндрического щита с наклонным коническим козырьком ( в = 150°)

i ^ 331 ^

,J_ -g _\sLn0.29-m .

aw t^o^.^j

для цилиндрического щита с горизонтальным козырьком ( р = 180°)

а [ trip-cos9)+ са$В - tn2н J Ц2Н

а (В *Sia- 9 +л) • jg 2f4 Jz ' 2я iq¡и (Л ig2/n ^/и) '

где 9 - угол'наклона касательной к кривой свободной по-

верхности потока и осью X в вертикальной плоскости;

Щ - некоторый угол, характеризующий величину радиального сжатия потока за щитом. Полученные зависимости (4), (5) и (6) позволили сделать вывод о наиболее рациональном угле наклона наружного конического козырька к потоку ¡Ь = 150° и установить величину угла между образующей наружного конического козырька стабилизаторов и линией касательной к кромкам внутренних козырьков: для стабилизатора расхода - ЦСДЦ-1

Я-Зсх Я^сг ¡7.8а.Г Лг

Рис. 2. Расчетные кривые свободной поверхности потока при истечении из-под цилиндрического щита: а) вертикального; б) с коническим козырьком I ^ = хои^;; в) с горизонтальным козырьком

сС = 35° ... 45° при ¿¿/В = 0,7...0,8 соответственно;

для стабилизатора расхода - ЦЖЩ-П и ЦСКШ-Е гС = 37° ... 47° при ¿¿/2? = 0,7...0,9 соответственно.

Выполненные теоретические разработки легли в основу экспериментальных исследований с целью определения количественных связей между гидравлическими и конструктивными параметрами стабилизаторов.

В четвертой главе с целью подтверждения результатов конструкторских разработок и теоретических исследований, всестороннего изучения взаимовлияния различных факторов на гидравлические параметры стабилизаторов, выбора оптимальных конструктивных и гидравлических параметров предложенных систем стабилизации были обоснованы и проведены экспериментальные исследования, выполненные по разработанной методике на экспериментальной установке в масштабах 1:5 и 1:10, что больше минимально допустимого, обеспечивающего авто-мод ельность.

В процессе исследований изучались: продольный профиль свободной поверхности потока при истечении из-под цилиндрических щитов, пропускная способность цилиндрических щитов, коэффициент сжатия потока при истечении из-под конического козырька; взаимовлияние конструктивных и гидравлических параметров стабилизаторов с целью их оптимизации; пропускная способность кольцевого в плане водослива.

В результате проведенных исследований установлено, что кривые свободной поверхности потока при истечении из-под цилиндрических щитов,полученные экспериментально,располагаются несколько ниже

(0,8___0,9)% теоретически полученных по расчетным зависимостям

(4), (5) и (6). Это вполне закономерно вследствие влияния на коэффициент сжатия потока £ сил вязкости, а также гидравлических потерь.

Исследование пропускной способности цилиндрических щитов в зависимости от степени воздействия на них ряда факторов проводились в соответствии с методикой многофакторного эксперимента. С целью получения математической модели гидравлических явлений был реализован полный факторный эксперимент 23 (трехфакторный эксперимент на двух уровнях). Для получения адекватной квадратичной модели план 23 достраивался до ортогонального центрального композиционного плана второго порядка с опытами в центре и звездных точках. Полученная математическая модель в результате реализации активного эксперимента в раскодированном ввде: .п , -

¡и *0№+0,1гп(%)+0,5ггг(%) - о,о8ог(р)+о,гб57(%;/$) + (7) +0,0М($()Ь) +0,№{(?1)*-а,Ов8б($)г+0,00657(р)г,

где /V - коэффициент расхода цилиндрического щита;

& - относительное открытие щита; £ - относительное сжатие потока за щитом; Л - угол наклона конического козырька к потоку, рад. При решении практических задач допустимо использовать осредне-нное значение коэффициента расхода цилиндрического щита ¡и = 0,56 ...0,68, что находится в пределах допустимой точности от среднего значения.

Расчетная зависимость (7) графически отражена на рис.3. Результаты исследования коэффициента сжатия потока при истечении из-под конического козырька с углом наклона к горизонту

¡Ь - 150° позволили сделать вывод о наиболее рациональной длине конического козырька (с учетом габаритных размеров конкретного цилиндрического щита) (рис.4):

& ? (0,4...0,6)¿г, (8)

где а - открытие цилиндрического щита.

Исследования стабилизаторов расхода типа "цилиндрический сту-ленчатый коробчатый щит" с целью определения наиболее рациональных параметров проводились для трех перечисленных ранее модификаций по методу Еокса-Уилсона (крутое восхождение) путем сочетания движения ю градиенту с методом факторного планирования.

В качестве параметра оптимизации был выбран процент стабилизации как показатель качества работы стабилизатора

[Чар - /¿77

Р- ' ЮО'/о (9)

¡Чт >

■де р*пр - фактический коэффициент расхода стабилизатора;

¡Чп - теоретический коэффициент расхода стабилизатора. Факторами,воздействующими на выбранный отклик.приняты: напор з водоприемной камере Н , открытие щита О. , относительное :жатие потока за щитом ^ и толщина коробчатой секции

Оценка влияния перечисленных факторов на выбранный параметр яидаизации производилась математической моделью регрессии перво-•о порядка:

для стабилизатора расхода - ЦСКЦ-1 У = 3.059+0,59Хг ШЬХг-0,т} + ¿7,67X^-0,¿76Х,Хг~0,ЩХ}+ЦЗШ,х*~

- 0,5вбХгХ^ ~ 0,073Х,Х4 -0,/63ХгХ3Хь ~ 0,763х,хгх3х<, ; (10) для стабилизатооа расхода - ЦСлП-П

2,306+0,501Х, -0,703X, * 0.5НХ„ - 0,423 Х4Хг~ О,№Х,Х3+0.234 Х,Х^ (Ц) -0,465ХгХь * 0,16ЬХ}ХЧ *0,тЗХ,ХгХ3 -0,№ХгХ3Хг, ;

л

о. S

£>.7

O.S

! / / Z-

' 1 J--'— -i-------—

a • à 0.9 7

О, Г

о. г

о. г

е.*

Рис. 3. График зависимости {4zf(fj ' ç, 'ß)

/V

для стабилизатора расхода - ЦСКЩ-Щ у = 3,О5+0,49М, -!,36БХг +0,679Х4-¿7,2#ЗХ<Хг -0,093X^0, !Ь5ХгХ,-{ 1£) -0,55ХгХи +0,055Х3Хь + 0,174 Х,ХгХз *0,126Х4Х}Х<>, где у - оптимизируемый параметр;

Х11Хг,Х,,Х^- кодированные обозначения напора, открытия щита, относительного сжатия потока за щитом и толщины коробчатой секции щита соответственно. Полученные уравнения позволили оценить степень взаимовлияния факторов на характер изменения параметра оптимизации и легли в основу проведения эксперимента по методу "восхождения по градиенту".

3 результате экспериментальных исследований по методу "крутого восхождения" были получены следующие наиболее рациональные значения факторов:

для стабилизатора расхода - ЦСКЩ-1

ата/(о1з7...ом)Нтш;лНгатах; ^о,7...о,в; Ь*(цзг„о1зз)ата*:

для стабилизатора расхода - ЦСКц-П

а.то;(о,35...о,ЩИтп;аНг({зь... /,4г)ам,; ^--$7...о,д; ±--(оМ..о,5)ато„

для стабилизатора расхода - ЦСКЩ-Ш

агГ7а;-(о,55...0,ЩНып;йНг(14.. \,5)Отах] %--0,7... 0,9] ¿-(МЗЛЩ*** >

где Птах - максимальное открытие цилиндрического щита;

- диапазон колебаний напоров в пределах одной сек, ции ( Нтт = 0,5...0,7 м); ^ - отношение диаметров кольцевого водослива и наружного конического козырька по кромке истечения; ■к - толщина коробчатой секции щита. Экспериментальные исследования кольцевых в плане водослизов проводились с целью повышения их пропускной способности. В результате исследований кольцевых водосливов с различными водосливными профилями получены расчетные зависимости для определения коэффициента расхода кольцевых водосливов:

для водослива с широким порогом и тонкой водосливной кромкой

т- о.згд(£)' ; <13)

для водослива практического профиля при кромке .скошенной под углом 45°

т- 0,357(н) ; (14)

для водослива практического профиля при плавно очерченной

водосливной кромке

/ R 10,0769

т* 0,393 (fjj , (15)

где К - радиус кольцевого водослива;

Н - напор на водосливе.

На основании конструкторских разработок, теоретических и экспериментальных исследований предложенных стабилизаторов расхода воды разработана методика инженерного расчета стабилизаторов.

В пятой главе с целью подтверждения разработок и исследований; положенных в основу методики инженерного расчета стабилизаторов расхода воды типа ЦСКЩ,проведены исследования и оценены показатели качества работы предложенных стабилизаторов.

Анализ показателей качества работы стабилизаторов позволил сделать вывод о целесообразности оценки качества стабилизации процентом отклонения отводимого расхода от его расчетной величины.

Пользуясь разработанной методикой расчета предложенных стабилизаторов, расчитаны и изготовлены действующие модели трех описанных модификаций (ЦСКЩ-I,. ЦСКЩ-П, ЦСКЩ-ffi).

Исследования действующих моделей отразили характер изменения отводимых расходов в зависимости от колебаний напоров в водоприемной камере O'/iW (рис.5).

Полученные экспериментальные данные подтвердили достоверность разработанной методики расчета и позволили установить фактические соотношения максимального и минимального напоров перед стабилизатором:

для ЦСКЩ-I - Нтах/ Ит,п = 1,8;

для ЦСКЩ-П - и та* ¡Иmin - 2,6;

для ЦСКЩ-Ш - Итак/Цmin = 2,75.

Исследованиями установлено, что в зоне колебаний напоров перед стабилизатором от И min до Итак предложенные конструкции являются водомерными. Для подтверждения визе сказанного были исследованы водомерные свойства стабилизаторов и получены водомерные константы.

В шестой главе описан объект и результаты реализации предложенных систем стабилизации.

Предлагаемая система стабилизации применена при реконструкции водовыпускного сооружения из межхозяйственного канала в канал-быстроток Аламедин-Норус в Кантском районе.

& т~ § / § 1 > У / £ ^ / 7Г ---5%

1 ч •5 / 5 5 \ 6 (у

л -Г"/

<етах-

в/Ятаг

/----

( {

Ж \ ^ } чу / и / г ^ / су / ? у / ^ ^у с5г / ^ / * / ( \ /

л / V \ 4 / / л ^ ) ^ <3 /

Ц25

47Г

'.а

Рис. 5. Экспериментальные зависимости О/ОтахпН/Нтп)'. а) при работе- ЦСКЩ-1;б)при работе ЦСКЩ-П;в;при работе ЦСКЩ-Ш

В диссертации даны рекомендации по проектированию и монтажу стабилизаторов предложенного типа.

Выполнен расчет экономической эффективности предложенной системы стабилизации. Годовой экономический эффект составил 3,6 тыс. руб./год.

ОСШВНЬЕ ВЫВОДЫ

1. Наиболее массовыми объектами автоматизации па гидромелиоративных системах являются сооружения всдоподачи из каналов и водозаборных узлов, автоматизация которых осуществляется средствами стабилизации расходав воды. Существующие на сегодняшний день системы стабилизации расходов на оросительных системах Средней Азии и Казахстана не в полной мере отвечают предъявляемым к ним техническим условиям и требования. Стабилизаторы металлоемки за счет устройства массивных закладных частей, недостаточно надежны в работе вввду возникающих перекосов полотнищ щитов при маневрирования ими и т.п. вышесказанное предполагает дальнейшее совершенствование средств стабилизации с целью исключения перечисленных недостатков существующих конструкций стабилизаторов, а так^же повышения их качественных характеристик.

2. В работе обоснована технология и схемы автоматизации водовыпускных сооружений из каналов и водозаборных узлов средствами стабилизации расходов воды, раскрыты технологические принципы автоматизации регулирования водоподачи. Отмечено, что в основе функционирования стабилизаторов расхода воды как устройств, не имеющих подвижных в работе частей.лежит принцип автоматизации регулирования водоподачи за счет использования гидравлических свойств потока.

С целью совершенствования существующих конструкций стабилизаторов расхода воды предложены стабилизаторы расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит", позволяющие исключить закладные части, обеспечить дополнительную жесткость конструкции ввиду цилиндрического исполнения поверхности щита и др.

3 работе обоснована целесообразность их применения, технология эксплуатации и компоновочные схемы водовыпускных сооружений, автоматизированных предложенными стабилизаторами рас:ода воды.

3. Разработанные три конструкции стабилизаторов расхода -"цилиндрический ступенчатый коробчатый щит с кольцевыми каналами" 1а.с. № 1333943), "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит с

0 се симметричными равновысокими секциями" (пол.pern. по заявке

4834123/24 на стабилизатор расхода воды) и "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит с внутренним горизонтальным козырьком" позволяют исключить недостатки существующих стабилизаторов, повысить показатели качества работы и обеспечить экономию металла в 3*5 раз по сравнению с получившими наиболее широкое распространение в условиях предгорной зоны республики Кыргызстан стабилизаторами расхода - "ступенчатый секционный коробчатый щит". Стабилизация отводимых расходов воды предложенными конструкциями осуществляется за счет: I) изменения коэффициента расхода обратно пропорционально величине 1/7^ ( Ид - действующий налор) и 2) изменения площади работающего кольцевого отверстия обратно пропорционально i/fig

4. На основании теоретических исследований профиля свободной поверхности потока при истечении из-под цилиндрических щитов с различными углами наклона конических козырьков к горизонту и при разной величине радиального сжатия потока установлена наиболее рациональная величина утла наклона наружного конического козырька

fi = 150°. Наиболее рациональное взаимное расположение нижних кромок конических козырьков должно обеспечивать величину угла между образующей наружного конического козырька стабилизаторов и линией,касательной к кромкам внутренних козырьков:

для стабилизаторов - "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит с кольцевыми каналами" (ЦСШЦ—I) =35°...45°;

для стабилизаторов "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит с осесимметричными равновысокими секциями" (ЦСШЦ-П) и "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит с внутренним горизонтальным козырьком" (ЦСЩ-Ш)

вб = 37°... 47°. Расчетные координаты кривых свободной поверхности потока подтверждены экспериментально.

5. Экспериментальными исследованиями установлена расчетная зависимость для определения коэффициента, расхода цилиндрического эдта, представляющая собой полином второго порядка.

- Для практических целей допустимо пользоваться осреднением значением коэффициента расхода (U = 0,56...0,68, находящимся в допустимых пределах от среднего значения.

В процессе исследований оценено взаимовлияние конструктивных

1 Гидравлических параметров предложенных стабилизаторов на их

пропускную способность и качество работы.

6. Длину наружного конического козырька стабилизаторов рекомендуется принимать из условия отсутствия влияния на коэффициент сжатия потока при истечении из-под конического козырька вертикальной цилиндрической стенки ¿к > 0,6 О-тах ( а.таг - максимально е открытие стабилизатора).

7. Экспериментально установлены наиболее рациональные соотношения конструктивных и гидравлических параметров стабилизаторов расхода предложенного типа:

а) для стабилизатора - ЦСКЩ-1:

максимальное открытие щита Птах = (0,35...0,4б)/-Лшт. ; соотношение диаметров кольцевого водослива и нижней кромки наружного конического козырька

с£/Ц = 0,7...0,8; диапазон колебаний напоров перед стабилизатором в пределах одной секции л Не - О.та* ; толщина кольцевого канала Ь =(0,32.. .0,33)*

б) для стабилизатора - ЦСКЩ-П:

Птах = (0,35...0,48)//,™, \ и/В = 0,7...0,9; лИс =(1,36... 1,42) О-тах ; ± = (0,45.. .0,5) О-тах ;

в) для стабилизатора - ЦСНЩ-Ш:

О-тах - (0,35.. .0,48) ¿Лт/я \ctfD = 0,7...0,9; = (1,4... 1,5) Птах ; -Ь = (0,45.. .0,5) атак

8. Получены экспериментальные зависимости для определения коэффициента расхода кольцевых водосливов: для водослива с широким порогом и тонкой водосливной кромкой, для водослива практического профиля с кромкой,скошенной под углом 45° и для водослива практического профиля с плавно очерченой водосливной кромкой.

Расчетные зависимости для определения коэффициентов расхода кольцевых водосливов /77«/"(К/У) ( К - радиус кольцевого водослива; И - напор на водосливе) подтвердили наиболее высокую пропускную способность из трех перечисленных конструкций у кольцевого водослива практического профиля с плавно очерченной' водосливной кромкой.

По результатам экспериментальных и теоретических исследований разработана методика инженерного расчета предложенных стабилизаторов расхода воды.

9. Исследования процесса стабилизации и оценка показателей качества работы стабилизаторов расхода позволили установить факти-

ческие соотношения максимального и минимального напоров перед стабилизатором:

для ЦСКЩ-Г - Нтаж/Hmin = 1,8;

для ЦСИЦ-П - И щах/ H min = 2,6;

для ЦСКЩ-Ш - Hma»/Umia = 2,75.

10. Предложенные стабилизаторы расхода еоды в зоне колебаний напоров перед стабилизатором от И mut до Итах являются водомерами, отводимый расход при этом, функционально зависит только от открытия стабилизатора.

11. Результаты проектных разработок и расчеты технико-экономических показателей доказали возможность и целесообразность широкого применения стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит" на водовыпускных сооружениях из каналов и водозаборных узлов, на основе чего разработаны,рекомендации по проектированию стабилизаторов расхода воды предложенного типа.

Годовой экономический эффект от внедрения одного стабилизатора расхода составил 3,6 тыс.руб./год при расходе 1,5 м3/с.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Зайцева 0.3. Выбор и обоснование конструкции водоприемного сооружения для стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый шит"//Гидроавтоматика в мелиорации. - Фрунзе, IS6S. - с.80-90 (Сб.науч.тр./ Кырг.с.-х.ин-т им.К.И.Скрябина).

2. Зайцева О.В. Гидродинамическое обоснование стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит"// Гидравлическая автоматизация оросительных систем. - Фрунзе, ISS0. -с.66.75 (Сб.науч.тр./ Ккрг. с.-х. ин-т им.К.И.Скрябина).

3. Зайцева 0.3. Математические связи между конструктивными и гидравлическими параметрами стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит"// Системы гидравлики оросительных систем и совершенствование технологии регулирования водного режима орошаемых полей. - Бишкек, 1991. -г с.80-51 (Сб.науч.тр./ Кырг.с.-х. ин-т им.К.И.Скрябина),

4. Зайцева О.В. Методика гидравлического расчета стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый шт"// Гидравлическая автоматизация оросительных систем и водосберегающая технология орошения. - Бишкек, 199I. - в печати (Сб.науч.тр./Кырг. с.-х. ин-т им.К.И.Скрябина). ...

5. Зайцева О.В., Зайцев E.S. Гидравлические исследования стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробча-

тый щит" //Системы гвдравлики оросительных систем и совершенствование технологии регулирования водном режима орошаемых полей- -Бишкек, I9SI. - с.92-100 (Сб.науч.тр. Кырг. с.-х. ин-т им.К.И. Скрябина).

6. Зайцева О.Б., Зайцев В.Ф. Результаты исследований стабилизаторов расхода воды типа "цилиндрический ступенчатый коробчатый щит" //Гидравлическая автоматизация оросительных систем и всдосбе-регающая технология орошения. - Бишкек, 199I. - в печати (Сб. науч.тр./ Кырг.с.-х. ин-т им.К.И.Скрябина).

7. Положительное решение на изобретение СССР МКИ 4 С 05 Д 9/02 Стабилизатор расхода воды /й.В.Еочкарев, В.Е.Гриднев, О.В.Зайцева. - № 4834123/24; Заявлено 27.02.91.

Подписано « печатьJj4 Q8

/

Печать офсетная. Объем jiliL-П. Ii. Зак. /З-f ■ . Тир.^££_

г. Бишкек, ул. Коммунистическая, 68. Типография КСХИ