Гидрометрические вертушки (вертушки Жестовского, Прайса, Бурцева)

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Д. СЕРИКБАЕВА

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

Тема «Гидрометрические вертушки (вертушки Жестовского, Прайса, Бурцева)»

 

Кафедра «Рациональное использование водовоздушного бассейна и теплогазоснабжения»

Дисциплина «Гидрометрия»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Проверил:

 

 

Содержание

Введение

1 Появление и развитие гидрометрической вертушки

2 Основы теории гидрометрической вертушки 

2.1 Основные параметры  и характеристики

3 Тарирование гидрометрических вертушек

4 Устройство гидрометрической вертушки ГР-21М

Заключение

Список использованных источников

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

   Применение гидрометрических вертушек для измерения скорости течения воды позволило приступить к накоплению систематических сведений о режиме водных потоков. 

   Гидрометрическая вертушка прочно вошла в практику и до сих пор является наиболее распространенным и одним из лучших приборов для измерения скоростей течения воды.

   Имеется очень много различных типов и конструкций гидрометрических вертушек. Современные вертушки различаются по ряду признаков: направлению оси вращения, устройству лопастного винта или ротора, устройству контактного и счетного механизмов, способу опускания вертушки в воду и пр.

   По направлению оси вращения различают вертушки с горизонтальной и с вертикальной осью.  К первым относятся,  например, ГР-21 и др., ко вторым - вертушка Прайса.

   По устройству лопастного винта или ротора вертушки подразделяются:

− с лопастным винтом, образованным винтовой поверхностью; 

− с ротором, состоящим  из конусообразных чашек; 

− с ротором в виде крылатки (некоторые типы морских  вертушек, например ВМ-М). 

   Большинство современных речных вертушек имеют лопастные винты, образованные винтовой поверхностью с параболической образующей -  вертушка ГР-21 и др. Вертушки с чашечным ротором для речных гидрометрических работ применяются главным образом в США (вертушка Прайса). Форма лопастного винта или ротора имеет большое значение для правильного измерения скорости течения.

   По устройству счетно-контактного механизма различают:

− вертушки с механическим счетчиком числа оборотов

− вертушки с электрической  сигнализацией. 

   Большинство современных вертушек имеет электрическую сигнализацию, преимуществом которой является то, что вертушку не надо вынимать из воды для отсчетов. Примером вертушек с механическим счетчиком является морская вертушка ВМ-М. Кроме указанных, применяются и другие типы счетно-контактных устройств, например с применением фотосопротивлений и с записью показаний на бумажной ленте.  Такие приборы применяются для измерений скоростей и направлений морских течений,  но некоторые из них с успехом используются для работ на крупных реках и водохранилищах, например печатающий самописец БПВ-2р.

   Камеры контактного механизма вертушек с электрической сигнализацией в настоящее время делаются закрытыми и заполняются маслом.

   По способу опускания в воду вертушки подразделяются на штанговые  (опускаемые на штанге)  и тросовые  (опускаемые на тросе). Большинство речных вертушек в настоящее время делаются универсальными, пригодными для работы со штанги и с троса.

   По расположению ротора вертушки на оси – консольные и осевые. К консольным относятся практически все основные типы гидрометрических вертушек –  ВЖМ-3,Ж3,  ГР-11,  ГР-21М,  ГР-55,  ГР-99, ВБ-57 и др. К осевым относятся в основном малогабаритные вертушки – ГР - 96, ЗИВХ и т.д., в том числе лабораторные гидрометрические микровертушки.

Универсальная гидрометрическая вертушка

1 Появление и развитие гидрометрической вертушки

   Наибольшее распространение получил способ регистрации скоростей с использованием вращающегося ротора,  или лопастного винта,  предопределивший развитие гидрометрических вертушек,  которые на протяжении более двух веков являются основным прибором для измерения скоростей течения,  определения расходов воды.  На измерениях,  основанных на использовании вертушек, практически полностью базируется Государственная система учета вод в России и других странах мира.       Массовое распространение вертушек,  при их непрерывном развитии,  привело к вытеснению других принципов измерений и их замедленному развитию.

   К настоящему времени в мировой практике накоплено большое разнообразие приборов данного типа, различающихся по определенному перечню параметров. 

   Создателем гидрометрической вертушки принято считать немецкого гидротехника Рейнгарда Вольтмана (1767 – 1837),  применившего прибор в 1790  г.  для определения скоростей течения р. Эльбы. 

   Вертушка Р. Вольтмана состояла из крыльчатки в виде четырех пластин, наклоненных к плоскости вращения, закрепленных спицами на горизонтальной оси вертушки. Вращающаяся ось вертушки закреплялась в открытом корпусе и имела червячную передачу,  передвигающую шестеренку,  установленную на шарнирной раме.  С передней стороны  (по направлению к набегающему потоку)  закреплялась в корпусе при помощи шарикоподшипника,  с задней –  ось упиралась в агатовый подпятник.  Шарнирная рама при помощи пружины отжималась вниз (нормальное положение),  что давало возможность выводить из соединения вращающуюся ось и шестерню. Включение прибора производилось путем поднятия рамы при помощи троса и сцепления шестерни с осью прибора. На окружности шестерни нанесены деления, каждый зубец соответствовал одному полному обороту крыльчатки вокруг оси,  а на раме был установлен указатель.  Таким образом,  сумма оборотов определялась разностью начального и конечного отсчетов,  снятых с шестерни. Фиксация времени измерений производилась при помощи секундомера.  Механический принцип регистрации числа оборотов лопастного винта,  совместно с отсчетами времени работы прибора по секундомеру, довольно скоро был заменен электрической сигнализацией, замыкающей электрическую цепь через определенное количество оборотов.

   Регистрация же времени измерения вплоть до 1950-х гг. производилась с использованием секундомера.  В то же время механический принцип,  предложенный Р.  Вольтманом,  нашел применение в ряде приборов  (измеритель речных струй Н.С.  Лелявского,  вертушка Экмана – Мерца, вертушка морская модернизированная ВМ-М), некоторые из них используются по сей день. Так, у ВМ-М включение прибора производится при помощи посыльного груза, изменена конструкция датчика оборотов, однако начальный принцип не изменен.

                            Гидрометрическая вертушка Прайса

2 Основы теории гидрометрической вертушки

2.1 Основные параметры и характеристики

   Работа вертушки определяется взаимодействием потока и прибора.  При измерении скорости используется зависимость между числом оборотов лопастного винта (ротора) в секунду и скоростью течения. В идеальном случае, т. е.  при отсутствии трения в механизме вертушки и при отсутствии вязкости в жидкости, указанная зависимость выражается уравнением:

                                                        u= k_гn,                                                             (1)    

где  

u -  скорость движения  воды; 

n -  число оборотов  лопастного винта в секунду; 

k_г - геометрический шаг лопастного винта, равный шагу винтовой линии,  совпадающей с внешней кромкой лопасти;  геометрический шаг лопастного винта определяется параметрами винтовой поверхности,  образующей данный винт.

   Практически зависимость числа оборотов винта в секунду от скорости получается более сложной из-за наличия сопротивлений - гидравлических и механических.

   Гидравлические сопротивления вызываются трением воды о поверхность лопастного винта, вихреобразованием у острых краев лопасти, а также нарушением скоростного поля потока и связанным с ним подпором от вводимого в воду прибора.  Механические сопротивления вызываются трением в механизме вертушки.

   Зависимость (1)  для реальных условий работы гидрометрической вертушки принимает сложный вид. Это связано в первую очередь с трудностью точного учета влияния указанных выше сопротивлений.

Из многочисленных полуэмпирических уравнений выделяют, в основном, уравнение М Шмидта,

                                        u = an + √bn² + c,                                                            (2)

где a,b,c - параметры.

   Данное уравнение вполне удовлетворительно отражает зависимость между скоростью и числом оборотов лопастного винта в реальных условиях работы вертушки. Графически это уравнение выражается гиперболой.

   При n = 0 - u = √c =u₀ - начальной скорости вертушки.

   Начальной скоростью называется такая скорость, при которой силовое воздействие потока на лопастный винт равно сопротивлению,  при этом лопастный винт начинает вращаться неравномерно;  при дальнейшем увеличении скорости вращение становится равномерным. Тогда уравнение (2) можно записать в виде:

                                       u = an + √bn² + u²                                                          (3)

   При больших скоростях течения,  когда можно принимать,  что

u₀ существенно меньше и, уравнение (3) можно записать так:

                                                 u = (a + √b)n = kn.                                                 (4)

   Здесь k имеет другое значение, чем в формуле (1), так как последнее уравнение отражает работу вертушки в реальных условиях. Поэтому будем называть этот коэффициент k гидравлическим шагом. Гидравлический шаг больше геометрического,  так как в связи с наличием сопротивлений лопастный винт в водном потоке делает меньше оборотов в единицу времени при одной и той же скорости по сравнению с теоретическим числом оборотов. Гидравлический шаг определяется опытным путем при тарировании вертушек.

   Параметры a и b,  входящие в приведенные уравнения определяются по следующим формулам:

                                                 a = k(0.99 − β ) ,                                                    (5)

                                                 b = (kβ)² ,                                                            (6)

где   β - параметр, определяемый по формуле В.Г.Железнякова,

                            

                                 β = 6.9u₀-0.06+√(2.3u₀-0.55)²+0.00058                               (7)

   Уравнение (3)  отражает наличие на кривой зависимости u=f(n) двух участков:  криволинейного и прямолинейного. Точку на кривой u=f(n), соответствующую переходу кривой в прямую, будем называть критической точкой. Скорость и число оборотов в секунду,  соответствующие этой точке, также будем называть критическими.

   Прямолинейная зависимость u = kn сохраняется до некоторого предела, различного для разных вертушек. Затем линейность зависимости нарушается: при некоторой скорости кривая отклоняется вверх.

   Скорость течения, соответствующую этой точке, в которой происходит поворот кривой вверх, будем называть верхней критической скоростью  (u_вк).      Установлено,  что значение верхней критической скорости зависит от размеров канала (ширины и глубины), в котором испытывается вертушка, и от параметров лопастного винта (диаметра, геометрического шага и др.).   Кроме того, значение верхней критической скорости зависит также от глубины погружения вертушки,  что было установлено при испытаниях вертушки с чашечным ротором и вертикальной осью в большом буксировочном канале (по исследованиям А. В. Васильева). Следует иметь в виду, что зависимость u =f(n) при u>u_вк изучена еще недостаточно.      Ориентировочно верхнюю критическою скорость можно принимать (по данным Н. П. Бурцева): для вертушки Ж-3 - 5 м/с (то же для ВЖМ-3 и ГР-55), для вертушек ГР-21 и ГР-21М - 8 м/с (лопастный винт №1). Причинами отклонения кривой u = f(n) от прямолинейного направления при больших скоростях течения считают возникновение кавитации и интенсивное вихреобразование у ротора вертушки.