Гидрометрические вертушки (вертушки Жестовского, Прайса, Бурцева)

   Нижним пределом применения вертушек следует считать скорость,  большую,  чем начальная скорость.  При малых скоростях погрешности измерения могут достигать значительных величин из-за относительно большого влияния механических и гидравлических сопротивлений. Нижним пределом применения гидрометрических вертушек считают скорость, равную удвоенной начальной скорости для данной вертушки.

   Как уже указывалось,  лопастный винт начинает вращаться,  когда силовое воздействие потока начнет превышать сопротивления. При дальнейшем увеличении скорости потока часть энергии будет затрачиваться на преодоление сопротивлений. В этом случае действительное число оборотов лопастного винта в единицу времени будет меньше теоретического. Это отставание называется скольжением лопастного винта; обозначим его ∆n . Тогда можно написать:

                                           ∆n = n – n_D,

где n=u/k_г - теоретическое число оборотов винта в секунду; n_D - действительное число оборотов винта в секунду.

   В дальнейшем будем иметь дело с относительным скольжением винта, которое выражается зависимостью :

                                                S= n-n_D/n * 100%.

   Если скорость течения меньше начальной скорости вертушки, то относительное скольжение равно 100%, т. е. лопастный винт не вращается.   При достижении критического значения скорости потока относительное скольжение лопастного винта становится постоянной величиной различной для разных вертушек.  По исследованиям П.  Н. Бурцева,  для вертушки Ж-3  относительное скольжение винта становится постоянным при скорости потока около 0,6 м/с и составляет 1,5 - 2,0%, для вертушки ГР-21 - соответственно 0,5 м/с и 7-8%. При непараллельности их относительное скольжение увеличивается при возрастании угла отклонения. Так, по данным Бурцева, при угле отклонения 40° относительное скольжение винта может достигать 30 - 35%.

   Увеличение относительного скольжения винта вызывается главным образом радиальным давлением потока.

   Инерционностью вертушки называется способность лопастного винта следовать за изменениями скорости течения. Чем меньше инерционность лопастного винта или ротора вертушки, тем быстрее изменяется число оборотов при изменении скорости. Поэтому для регистрации пульсации скорости течения необходимо применять вертушки, обладающие малой инерционностью.

   Лопастные винты существующих вертушек обладают различной инерционностью; размер последней зависит от момента инерции винта.   Наименьшим моментом инерции обладают лопастные винты вертушек ГР-55 и ГР-99. Они являются малоинерционными,  вследствие чего их наиболее целесообразно применять в потоках с большой турбулентностью и при необходимости регистрации пульсации скорости.

   В последнем случае лучше применять вертушку ГР-99  с контактом через один оборот и записывать ее показания на хронографе.

   Лопастные винты вертушек ГР-21  и ГР-21М обладают относительно большой инерционностью,  вследствие чего сглаживают пульсации скорости, поэтому применение их для регистрации пульсации скорости неэффективно. Зато применение их целесообразно в потоках с небольшой турбулентностью (равнинные реки).

Гидрометрическая вертушка Н.Е. Жестовского

3 Тарирование гидрометрических вертушек

   Тарированием называется определение зависимости между скоростью течения и числом оборотов лопастного винта в секунду, производимое опытным путем. Тарированию подвергаются все вновь изготовленные вертушки, в результате для каждой составляется тарировочное свидетельство,  являющееся необходимым документом вертушки. В процессе эксплуатации вертушек детали их механизмов изнашиваются, в связи с чем постепенно изменяются механические сопротивления, а, следовательно, нарушаются данные первоначального тарирования. Кроме того, в процессе работы возможны повреждения отдельных частей вертушки и в первую очередь лопастного винта. При этом также изменяются тарировочные данные. В указанных случаях должно проводиться повторное тарирование.

   В практике работ Гидрометслужбы установлены следующие сроки повторного тарирования вертушек,  находящихся в условиях нормальной эксплуатации,  независимо от количества проведенных измерений: вертушки с масляной камерой ГР-21, ГР-21М, ГР-55 –один раз в два года.

   В случае явных повреждений вертушки сразу должны отправляться в ремонт и на тарирование.

   Тарирование вертушек производится в неподвижной воде путем буксировки их с различными скоростями.  Такой метод тарирования является общепринятым, хотя при этом вертушка работает в условиях, отличных от условий ее работы в турбулентном потоке. Силовое воздействие набегающего потока при турбулентном режиме отличается от воздействия неподвижной водной среды на перемещающуюся вертушку: в первом случае давление потока на лопастный винт больше,  чем во втором. Как отмечается в учебниках по гидрометрии,  эта разница мала, и практически считается допустимым тарировать вертушки не в турбулентном потоке,  а путем буксировки их в неподвижной воде. Расхождения между результатами тарирования в потоке и неподвижной воде находятся в пределах принятых в гидрометрии погрешностей.  Кроме того,  тарирование в проточной воде вносит некоторую неопределенность,  так как потоки обладают различной степенью турбулентности. 

   Утверждение о том, что расхождение между результатами тарирования в потоке и неподвижной воде находятся в пределах принятых в гидрометрии погрешностей, спорно и авторы книги его не разделяют.  В частности,  Г.В.Железняков отмечает,  что осредненная местная скорость потока,  регистрируемая вертушкой всегда больше действительной скорости. Можно предположить, что данные тарировки в неподвижной воде можно использовать для измерения скоростей потока, если уровень турбулентности в потоке не превышает 10%. Более подробно данный вопрос рассмотрен авторами книги в разделе «Гидромеханический анализ работы лопастного винта».

   Тарирование вертушек производят в специальных каналах и бассейнах, которые называются тарировочными. Их устройство бывает различным: прямолинейные, круговые, кольцевые и т. д. Лучшими принято считать прямолинейные каналы. Для достижения достаточной точности тарирования эти каналы должны отвечать определенным требованиям. Длина канала определяется в соответствии с наибольшей скоростью,  с которой должна двигаться тележка с вертушкой, с учетом участков разгона и торможения.

   На точность тарирования оказывает влияние размер поперечного сечения канала,  при этом ширина оказывает большее влияние, чем глубина.  Исследованиями установлено,  что изменение ширины перестает влиять на результаты тарирования при ширине около 3 м. Однако для практических целей с учетом требуемой точности измерений скорости считается допустимым делать тарировочные каналы меньшей ширины.

   На точность тарирования оказывает влияние расположение вертушки относительно поверхности воды, стенок и дна канала. Близость вертушки к стенкам и ко дну вносит погрешности в результаты; опытным путем определено, что прибор должен находиться в середине канала, на расстоянии не менее 60 см от поверхности, от дна и от стенок.

   Прямолинейные тарировочные каналы имеют прямоугольное поперечное сечение.  Дно и стенки делаются бетонными,  гладкими. Вдоль стенок прокладывается рельсовый путь, по которому двигается буксировочная тележка. Для повышения точности тарирования необходимо, чтобы рельсовый путь обеспечивал исключительно плавный ход тележки. Для этого рельсы укладывают весьма тщательно, стыки сваривают и зашлифовывают;  горизонтальность поверхностей рельсов проверяется нивелировкой, а расстояние между ними - шаблоном. Движение тележки осуществляется с различными скоростями с помощью электродвигателя. Для определения скорости применяется тахометр (специально для целей тарирования тахометр сконструирован С. К. Пукенисом); с помощью тахометра можно правильно назначать задаваемые скорости тарирования.

   Тарируемая вертушка укрепляется на тележке с помощью штанги или, если это нужно, на тросе. Для регистрации пройденного расстояния вдоль рельсового пути устраиваются специальные выступы, служащие для замыкания контактов при движении тележки; расстояние между ними принимается 0,5-2,0 м. При каждом замыкании регистрируются отметки пути и, следовательно, пройденное расстояние. Данные тарирования автоматически записываются на ленте хронографа. Синхронно регистрируются сигналы вертушки,  отметки времени (секунды) и отметки пути. Обработка хронограммы позволяет получить скорость перемещения вертушки:

                                                             u= l/t

(где  l -  путь,  пройденный  вертушкой;  t -  время, за которое  пройден

путь) и число оборотов лопастного винта в секунду:

                                                             n= N/t 

(где N - общее число  оборотов лопастного винта за  время t).

   Для каждого заезда устанавливаются различные скорости, начиная от наименьших скоростей,  для определения начальной скорости вертушки.   Начальную скорость обычно определяют так. Тележку передвигают со скоростью, при которой лопастный винт начинает равномерно вращаться; затем скорость уменьшают до значения, при котором лопастный винт вращается неравномерно,  с перебоями.  Эта скорость и принимается за начальную скорость вертушки.  Обычно начальную скорость определяют дважды: в начале и в конце тарирования; за окончательный результат принимают среднее значение.

   Всего делают 12-15 заездов,  при этом учитывают,  что участок тарировочной кривой до критической скорости, т. е. криволинейный, должен быть освещен подробнее. Рекомендуются следующие скорости заездов: 0,06; 0,08; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25; 0,50; 1,00; 1,50; 2,00; 2,50 м/с. Чаще всего ограничиваются скоростью 2,5 м/с, так как этого достаточно для измерений на равнинных реках,  тем более,  что кривая может быть экстраполирована на прямолинейном участке вверх до скоростей примерно 5 м/с. В необходимых случаях производят тарирование до больших скоростей.

   Тарировочные каналы имеются в разных городах. Например, тарировочной канал тбилисского завода «Гидрометприбор» имеет длину 80 м, ширину 2 м и глубину 2 м. Рабочий участок канала, на котором производится тарирование,  около 40  м,  так как для разгона и торможения тележки при больших скоростях необходимо около 20 м. Аналогичный тарировочной канал,  только с иными рабочими размерами имеется в г.Аксае Ростовской области. 

   Тарировочный канал ГГИ расположен в закрытом помещении и представляет собой железобетонный лоток длиной 150 м, шириной 4 м и глубиной 3,2 м. Канал имеет хорошо оборудованную тарировочную тележку,  двигающуюся по рельсовому пути с заданной равномерной скоростью в диапазоне от 0,01 - 0,02 до 6,00 м/с.

   В г. Каунасе тарировочная станция сделана на пруду. Вдоль берега устроена эстакада на бетонных опорах длиной 73 м с рельсовым путем, по которому движется тележка. Штанга с вертушкой укрепляется на консоли; подъем, опускание и повороты штанги механизированы и автоматизированы.  Тележка может двигаться со скоростью от 0,03 до 4,00 м/с. Вдоль эстакады имеются две линии замыкателей контактов: для малых скоростей через 0,5 м и для больших скоростей через 2,0 м. Разгон тележки незначителен, заданная скорость устанавливается почти с места. Для торможения при скорости 2-3 м/с нужно расстояние 5 м (при сухих рельсах). За скоростью движения тележки тарировщик может следить по тахометру конструкции Пукеииса.

   В г. Новочеркасске (НГМА)  тарировочная установка выполнена в виде круглорадиального конфузора,  в головной части которого установлен бак постоянного напора. В горизонтальной призматической части конфузора устанавливается гидрометрическая вертушка.  Скорость в тарировочной установке меняется путем изменения расхода воды, пропускаемого через установку. Устанавливая перед входом в конфузор различного типа турбуленизирующие решетки можно моделировать влияние уровней турбулентности на показания гидрометрической вертушки.

   В США большинство вертушек тарируется в бюро стандартов, тарировочной канал которого имеет длину 121,9 м, ширину 1,83 м и глубину 1,83  м;  канал оборудован совершенными устройствами для регистрации сигналов вертушки, времени и пути.

   Тарирование может производиться в круговых и кольцевых бассейнах.  Первые из них представляют собой заполненный водой цилиндрический бассейн. При тарировании вертушка опускается в воду на штанге, укрепленной на горизонтальной стреле, вращающейся вокруг оси, расположенной в центре бассейна. В настоящее время тарирование в таких бассейнах почти не производят.

   Кольцевой бассейн состоит из двух концентрически расположенных цилиндров,  пространство между которыми заполнено водой. В центре бассейна на фундаменте укреплена карусель с несколькими штангодержателями,  на которых закрепляются штанги с тарируемыми и образцовыми вертушками. Карусель вращается с различными скоростями с помощью электродвигателя. Минимальные размеры бассейна для обеспечения требуемой точности тарирования: диаметр наружного цилиндра 5,0 м, внутреннего 3,0 м, высота цилиндров 1,3 м, глубина воды 1,0 м.