Гидрометрические вертушки (вертушки Жестовского, Прайса, Бурцева)

   Тарирование в кольцевых бассейнах производится методом сравнения, т. е. путем сравнения показаний испытываемой вертушки с показаниями образцовой вертушки (эталона), которая предварительно подвергается тщательной поверке и тарированию в прямолинейном канале.  В кольцевых бассейнах при движении вертушек возникает попутный поток, кроме того, направление оси вертушки не совпадает с направлением движения, так как вертушка направлена по касательной;  все это не позволяет вести непосредственное тарирование.  В этом случае следует применять указанный выше прием.

   Тарирование методом сравнения производится также в лотке системы В. А. Урываева, в котором вода циркулирует по замкнутому трубопроводу. Для обеспечения равномерного движения воды в рабочей,  верхней части лотка в нем устроены направляющие лопатки и решетки. Тарируемые и образцовые вертушки устанавливаются в рабочей части лотка через герметично закрываемые люки. Сигналы вертушек записываются на хронографе. Для более точного определения начальных скоростей вертушек в воду пускается краска; наблюдая в смотровое окно, можно при встрече красочного облачка с лопастным винтом легко заметить его первые подвижки.

   К недостаткам лотка Урываева следует отнести то, что результаты тарирования зависят от расположения тарируемой вертушки относительно образцовой (слева или справа).

   В институте гидротехники и мелиорации (г.Киев) тарировочная установка выполнена в виде успокоительного бака постоянного напора в боковой стенке которого установлена круглоцилиндрическая затопленная насадка, профиль которой подобран из учета условий безотрывного протекания потока.  Данная установка предназначена для тарировки только лабораторных микровертушек. 

   Обработка результатов тарирования вертушек может производиться графическим и аналитическим способами.

   Данные тарирования представляют собой таблицу парных значений скоростей и соответствующих чисел оборотов лопастного винта в секунду.

В настоящее время применяется  преимущественно графический способ ввиду его простоты и наглядности. Он заключается в том, что по данным тарировочной таблицы вычерчивается кривая u = f(n). На оси абсцисс откладывают число оборотов в секунду, а по оси ординат - соответствующие скорости в м/с. Нижняя ее часть, соответствующая малым скоростям,  вычерчивается дополнительно в более крупном масштабе. При тщательном тарировании и исправной вертушке точки ложатся очень правильно, и по ним без затруднений проводится линия.  Разброс точек может получиться или в результате недостатков тарирования, или при неисправности вертушки; такие данные бракуются.

   Аналитический способ обработки заключается в подборе уравнений тарировочной кривой.  Как было сказано ранее,  тарировочная кривая разделяется на криволинейный и прямолинейный участки.

   Криволинейный участок аналитически описывается уравнением (3)

                                                       u = an + √bn² + u₀²,

где a и b - параметры, определяемые по формулам (5) и (6); u₀ - начальная скорость вертушки по данным тарирования.

   Прямолинейный участок выражается уравнением прямой (4), проходящей через начало координат,

                                                        u = kn ,

где k - гидравлический шаг  лопастного винта; n - число оборотов в секунду.

Подбор уравнений начинают с определения коэффициента β  по формуле (7). По найденному значению β можно определить критическую скорость,  соответствующую переходу криволинейного участка кривой в прямолинейный;  для этого пользуются эмпирической формулой Г. В. Железнякова:

                                                         u_k= 7.1u₀/√β

Зная u_k, можно по тарировочной таблице отобрать значения скоростей, больших u_k, относящиеся к прямолинейному участку, и соответствующее им значение числа оборотов в секунду. По этим данным определяют гидравлический шаг по формуле:

                                                             k= Σu/Σn,

где Σu - сумма значений скоростей, больших u_k; Σn - сумма значений

числа оборотов при u>u_k.

Находят уравнение прямолинейного участка,  подставляя полученное значение k в уравнение u = kn.

   Для нахождения уравнения криволинейного участка определяют значения входящих в него параметров α и β по приведенным ранее формулам. Сделать это не трудно, так как входящие в них значения k и β известны.

   Заметим, что гидравлический шаг равен тангенсу угла наклона прямолинейного участка тарировочной кривой к оси абсцисс.

   Тарировочная кривая является официальным документом вертушки. Для практических целей, например при измерении скоростей в полевых условиях, составляют специальную таблицу для определения скоростей по числу оборотов в секунду. Это удобно в работе и способствует сохранению тарировочной кривой. Таблица составляется на основе тарировочной кривой:  основные значения берут непосредственно с кривой, а промежуточные значения определяют путем прямолинейной интерполяции.

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Устройство гидрометрической вертушки ГР-21М

   Корпус 14 служит для сочленения частей вертушки, крепления ее на штанге или вертлюге 10 и для подключения сигнальной цепи. Корпус в передней части имеет полость, в которую вставляется ось собранной ходовой части 5 и крепится в ней стопорным винтом 6. Две клеммы 8 (изолированная) и 9 (соединенная с корпусом) служат для подключения проводов сигнальной цепи. В тыльной части корпуса есть втулка для крепления вертушки на штанге или подвеске-вертлюге (в случае работы с троса) зажимными винтами 11. К тыльной части корпуса винтом 12 крепится стабилизатор 13, служащий для установления оси вертушки по течению. Сбоку втулка имеет фигурную прорезь с указателем для снятия отсчета положения оси вертушки на штанге. 
   Ходовая часть вертушки состоит из неподвижной оси 5 с контактным механизмом (червячная шестерня, контактный штифт, пружина, винт и электропроводный стержень, соединяющий контактную пружину с гнездом штепселя 7), двух радиально-упорных подшипников 2, внутренней распорной втулки 16, наружной втулки 15 и осевой гайки 1. Ходовая часть входит в цилиндрическую полость лопасти 3 и крепится в ней зажимной муфтой 4. 
   Сигнальное устройство, состоящее из клеммной панели, звонка (лампочки), переключателя и сигнальных проводов, служит для преобразования электрического импульса в звуковой (световой) сигнал. Питание электрической цепи осуществляется от источника постоянного тока напряжением 3 В. 
   Принцип действия гидрометрических вертушек основан на закономерной связи между скоростью вращения лопастного винта вертушки и скоростью набегающего потока. Вместе с лопастью вращается втулка, которая передает вращение лопасти на червячную шестерню. Контактный механизм вертушки замыкает электрическую сигнальную цепь через каждый полный оборот червячной шестерни, что соответствует 20 оборотам лопасти вертушки. В момент замыкания цепи вспыхивает лампочка или звенит звонок, что дает возможность фиксировать число оборотов лопастного винта вертушки. С помощью секундомера определяют время с начала работы вертушки (сигнал) до каждого последующего сигнала. Подсчитав общее число оборотов лопасти вертушки и разделив их на время ее работы, определяют скорость вращения лопастного винта (число оборотов в секунду). 
   Для перехода от скорости вращения лопасти вертушки n к скорости течения воды u_i используют тарировочную кривую – график зависимости между скоростью течения и числом оборотов лопастного винта в секунду:

u = f(n), официальный документ  каждой гидрометрической вертушки, прошедшей тарировку в специальном  тарировочном бассейне.  
   Вертушка ГР-21М снабжается двумя лопастными винтами: винт № 1 (основной) компонентный, диаметром 120 мм с геометрическим шагом 200 мм, применяется при работе со штанги, при скоростях течения до 2 м/с, и винт № 2 некомпонентный, диаметром 120 мм с геометрическим шагом 500 мм, применяется во время работы с троса при скоростях течения более 2 м/с. 
   Малые скорости течения не приводят лопастный винт во вращение.    Наименьшая скорость u₀ , при которой силовое воздействие потока на лопастный винт равно величине сопротивлений, а лопастный винт вращается неравномерно, называется начальной скоростью вертушки. Для вертушки ГР-21М начальная скорость составляет 0,04 м/с, а верхняя – 5 м/с.

Заключение

   Рассматриваемый в работе прибор –  гидрометрическая вертушка –  характеризуется длительной историей развития. Его оптимизация главным образом касалась: 1) формы и размеров лопастного винта в целях повышения чувствительности и совершенствования компонентности, возможности работы на малых глубинах и в турбулентных потоках; 2) принципа формирования выходного сигнала и принципа регистрации сигнала. 

   К настоящему времени существует огромный модельный ряд приборов,  выпускаемых разными странами мира. Производители работают преимущественно на внутренние рынки стран.

   В существующих моделях решены такие важные задачи,  как возможность фиксации мгновенной скорости  (за счет использования однооборотных вертушек с герконом);  работы на малых глубинах  (за счет уменьшения диаметра ротора);  измерения малых скоростей  (за счет использования легких конструкционных материалов ротора,  повышения его чувствительности); работы в косоструйных потоках  (за счет оптимизации компонентного эффекта).  Помимо этого оптимизированы материалы ротора и корпуса,  регистрирующее оборудование,  вспомогательное оборудование.

   По уровню развития принципов гидрометрического приборостроения  (производства гидрометрических вертушек)  страны мира сегодня имеют примерно одинаковый уровень.

   Существенные различия заключаются в качестве исполнения приборов. Приборы выпускаются с чашечным механизмом и лопастным винтом.

   Несмотря на кажущуюся завершенность процесса развития гидрометрических вертушек, существуют нерешенные задачи. К их числу относятся:

• отсутствие оптимального соотношения чувствительность –  компонентность,  при котором повышение чувствительности прибора не вело бы к существенному ухудшению компонентных качеств и наоборот  (вопрос решается компоновкой вертушки несколькими сменными роторами);

• отсутствие единого мнения о влиянии относительного диаметра винта и его дискового отношения на компонентные свойства прибора;

• нерешенность вопроса  обеспечения бесперебойной работы прибора в сложных условиях (мороз, повышенная минерализация и т.д.);

• нерешенность вопроса  обеспечения устойчивости параметров лопастного винта за период эксплуатации прибора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1. Бурцев П.Н.  Особенности эксплуатации гидрометрических вертушек в турбулентном потоке. В кн.: Вопросы гидрологического приборостроения.  Л.:Гидрометеоиздат, 1977. - С.245-251.
2. Бурцев П.Н., Барышникова М.М. Анализ возможностей использования гидрометрических вертушек для работы в турбулентных потоках. //Вопросы учета стока по гидрометрическим данным и гидрологические приборы: Сб.науч.трудов. Вып.172. - Л.:Гидрометеоиздат, 1969. - С. 51-69.
3. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия.-Л.: Гидрометеоиздат, 1965.- 501 с. (изд.2-е)
4. Железняков Г.В.  Исследование работы гидрометрических приборов. - М.:Изд-во АН СССР, 1952. - 238 с.
5. Железняков Г.В.  Теоретические основы гидрометрии. -  Л.: Гидрометеоиздат, 1968. - 291 с.
6. Железняков Г.В., Данилевич Б.Б. Точность гидрологических измерений и расчетов. – Л.: Гидрометоиздат, 1966. – 240 с.
7. Цивин М.Н., Абраменко П.И. Гидрометрия: теория и практика измерения скорости течения воды в открытых каналах. Киев, ИгиМ, 2003 . 109 с.