Конструктивно-технологические схемы дождевальных машин серии ДКФ (Дождеватель консольный фронтальный) и гидравлический расчет их водопроводящих элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное научное учреждение «Российский научно исследовательский институт проблем мелиорации»

Конструктивно-технологические схемы дождевальных машин серии ДКФ (Дождеватель консольный фронтальный) и гидравлический расчет их водопроводящих элементов

к.т.н. Снипич Юрий Фёдорович

Аннотация

В статье представлены конструктивно технологические схемы дождевальных машин серии «Дождеватель консольный фронтальный» и гидравлический расчет их водопроводящих элементов

Ключевые слова: дождевальные машины, потери напора, рабочее и транспортное положение, сравнительные характеристики

Annotation

The article presents constructive-technological schemes for sprinkling machines “Sprinkler console front” (SCF) series and hydraulic calculation of water supply components

Key words: irrigation machines, pressure loss, operating and transport position, the comparative characteristics

Засухи и суховеи последних лет еще раз убедительно показали, что орошение в России должно играть важную роль при выращивании с.-х. культур. Вместе с тем в предложениях по восстановлению и дальнейшему развитию оросительных мелиораций следует исходить из того, что в стране произошли коренные изменения в требованиях к дождевальной технике и технологиям орошения, обусловленные факторами социально-экономического характера, приведшими, в частности, к сокращению, по некоторым данным, площади орошаемых земель до 4,7 млн. га.

Дождь, создаваемый современными дождевальными машинами, отличается по своим параметрам от естественных осадков «средней» силы. Высокие энергетические показатели искусственного дождя приводят к разрушению почвенного покрова и образованию поверхностного стока, неравномерности полива, что способствует развитию ирригационной эрозии, переувлажнению почвы и вымоканию растений в одних местах, при недостаточном их увлажнении в других, снижению плодородия орошаемых земель и неэффективному использованию водных, материально-технических, энергетических и земельных ресурсов. Поэтому значительное внимание следует уделять разработке технологий орошения и конструкций дождевальной техники, обеспечивающих, при экономически целесообразном уровне производительности, экономию воды, энергии, материально-технических и трудовых ресурсов без негативного воздействия на почву и окружающую среду. В частности, значительное внимание уделяется разработке модификаций дождевальных машин, работающих с рассредоточением водоподачи по площади и во времени.

За последнее время, по данным В. Ф. Носенко [1], трудоемкость орошения снизилась у ДДА-100 МА с 3,6 до 2,2 чел. ч. на 1000 м³ водоподачи, коэффициент полезного действия возрос до 0,85, коэффициент эффективности полива достиг 0,7, коэффициент земельного использования 0,92.

Для колесных дождевальных трубопроводов коэффициент земельного использования повысился до 0,98, а трудозатраты снизилась с 2,5 до 1,9 чел. ч. на 1000 м³ воды. Средняя интенсивность дождя снизилась с 0,35 до 0,2 мм/мин. Однако энергозатраты на полив возросли с 122 до 160 кВт ч на 1000 м³.

Для установок кругового действия трудоемкость снизилась с 1,5 на 1000 м³ до 1,1 чел. ч., коэффициент земельного использования увеличился до 0,98, энергозатраты остались неизменными в пределах 190 кВт.ч. на 1000 м³. Это касается и качественного улучшения ресурсосберегающих параметров - интенсивности дождя и коэффициента эффективного полива.

По сравнению с 1980-ми годами, значительно снижены энергозатраты высокопроизводительных машин. Для ДДМ-100 М, ДМ «Фрегат», ДКШ-64 с 240, 180, 160 кВт. ч. на 1000 м³ до 190, 170, 165 кВт. ч. на 1000 м³; для ДМУ-А «Фрегат», ДФ-120, ДКН-80, ДКГ-80 «Ока», МДЭФ «Кубань-М», МДЭФ «Кубань-Л» - до 160, 140, 120, а для низконапорной модификации «Фрегат-Н» до 115 кВтч. на 1000 м³, т.е. технические средства медленного и низкоинтенсивного дождевания имеют довольно высокий показатель затрат около 250 кВт. ч. на 1000 м³.

В США до 90 % широкозахватной техники переоборудовано низконапорными насадками. Снижение энергоемкости дождевания при этом может составить от 16% до 50 %, значительно повышается эффективность использования водных ресурсов [2]. Конструкции низконапорных дождевальных машин типа «Zimmatic», «Lepa», «Liniar», «Valley» оборудуются низконапорными насадками с поливом по сектору, монтирующихся на водопроводящем поясе на коротких патрубках в один ряд с наклоном 45⁰ к горизонтальной плоскости. В целом экономия оросительной воды при поливе этими установками составляет не менее 20 % по сравнению с обычным дождеванием, а энергозатраты - на 15-20 %. Эффективность орошения этой системы достигает 98-99 %. Выпускаются комплекты низконапорных дождевальных аппаратов, включающие короткоструйные дефлекторные насадки с плоскими или коническими дефлекторами; пластмассовые и латунные коромысловые дождевальные аппараты с низким углом вылета струи, оборудование для приземного дождевания, присоединяемое к водопроводящему поясу на гибких шлангах. Высокое качество дождя обеспечивается не только за счет конструктивных особенностей аппаратов, но и оптимальной схемы их размещения, расчет которой осуществляется на ЭВМ с учетом параметров машины, требуемого расхода, давления, площади обслуживания, характеристики орошаемого участка.

В конечном итоге, все решения по совершенствованию технических средств для орошения направлены на создание высокопроизводительной поливной техники, обеспечивающей искусственный дождь, приближающийся по своим параметрам к качественным характеристикам идеала - естественных дождей средней силы, с каплями, падающими практически вертикально, при среднем диаметре 1-1,5 мм, с интенсивностью до 25 мм/мин и равномерностью распределения по площади не менее 0,9.

Анализ показывает, что при реализации оптимальных агротехнологий орошения большое значение приобретают вопросы выбора конструкций дождевальных машин, аппаратов и схем их размещения на водопроводящем поясе. Недостаточно высокие агротехнические характеристики искусственного дождя заставляют вести работы по совершенствованию конструкций дождевальных машин. Дальнейшее направление научных исследований заключается в значительном снижении энергетического воздействия искусственного дождя на культуры без ухудшения агротехнических характеристик дождя.

С учетом вышесказанного был сделан вывод, что наиболее целесообразным для полива овощных культур является использование поливной техники, работающей из открытых оросителей и автономными энергоносителями. В результате научных, теоретических и экспериментальных исследований в ФГНУ «РосНИИПМ» с участием автора, была создана серия дождевальных машин, ДКФ.

Дождевальная машина ДКДФ-1 (рисунок 1) «Ростовчанка» имеет две противоположно направленные консоли, которые состоят из пяти секций каждая. Каждая секция консоли подвешена на растяжках к центральной стойке. Агрегат забирает воду из оросителя через всасывающую линию, далее через напорную линию вода подается в поворотную раму, а затем в консоли и распределяется дефлекторными насадками и концевыми среднеструйными дождевальными аппаратами. В 2002 г. ДКДФ-1 «Ростовчанка» прошла государственные испытания на Зерноградской МИС.

ДКФ-1П имеет две консоли с переменным сечением, которые состоят из 11-ти секций каждая (рисунок 2). Первая секция крепится к фланцам поворотной рамы, вторая - к первой и т.д. Между 3 и 4, 6 и 7, 9 и 10 секциями устанавливаются распорные треугольники. Первые три секции консоли подвешены посредством растяжек напрямую к центральной стойке. Остальные секции подвешены к центральной стойке через распорные треугольники.

Рисунок 1. Конструктивно-технологическая схема ДКДФ-1 «Ростовчанка»: 1 - трактор; 2 - основная рама; 3 - поворотная рама; 4 - центральная стойка; 5 - консоль; 6 - растяжка; 7 - насос с приводом; 8 - всасывающая линия; 9 - напорная линия

Рисунок 2. Конструктивно-технологическая схема ДКДФ 1П: 1 - трактор; 2 - основная рама; 3 - поворотная рама; 4 - центральная стойка; 5 - консоль; 6 - растяжка; 7 - насос с приводом; 8 - всасывающая линия; 9 - напорная линия; 10 - секторная насадка; 11 - распорный треугольник

Наиболее перспективной является ДКФ-1ПК (рисунок 3). Эта машина обладает преимуществом вышеупомянутых типов дождевателей, но в отличие от них имеет возможность изменения высоты консоли над поверхностью орошаемого участка, что позволяет практически устранить вредное влияние ветра на дождь, уменьшить энергетическое воздействие дождя на растения, чем устраняется недостаток у предыдущих типов поливной техники. ДМ ДКФ-1ПК имеет относительно высокие показатели по мобильности и работает с забором воды из открытых оросителей.

орошение дождеватель консольный фронтальный

Рисунок 3. Конструктивно-технологическая схема ДКФ-1ПК: 1 - трактор; 2 - водопроводящее кольцо; 3 - стойки с гидравлической системой; 4 - центральная стойка; 5 - консоль; 6 - распорные панели вантовой подвески; 7 - растяжка; 8 - короткоструйные секторные насадки; 9 - насос с приводом; 10 - всасывающая линия; 11 - напорная линия.

В конструкции дождевателя предусмотрено рабочее (консоли расположены перпендикулярно направлению движения трактора) и транспортное (консоли расположены параллельно движению трактора) положение консолей. Для удобства транспортировки и сборки водопроводящее кольцо разделено на три полусферы, соединяющиеся на фланцах. Откидная полусфера в передней части кольца, используемая для освобождения трактора, закреплена с одной стороны на поворотном пальце, с другой - на фланцах с отверстиями для крепежных элементов. Для установки дождевальной машины на хранение или выезда трактора на водопроводящем кольце предусмотрены откидные опоры.

В данной разработке внедрена возможность использования водопроводящих труб из полимерных материалов, что приводит к уменьшению веса дождевальной машины по сравнению с аналоговой поливной техникой. В отличие от металлических труб, полимерные стойки к коррозии, эластичны, долговечны и удобны при монтаже. Дождевальная машина ДКФ-1ПК оборудована низконапорными насадками секторного действия, дождевой поток которых ориентирован к земле, что дает стабильное дождевое облако под дождевальной машиной при воздействии ветра.

Однако при создании новой дождевальной машины ДКФ-1ПК встает необходимость обработки показателей лабораторно-полевых испытаний и анализа агротехнической оценки.

Параметры дождевальных машин определяются на этапах разработки исходных требований, технических заданий, конструкторской документации и отражают в основном превалирующие в конкретный период времени воззрения на техническое и технологическое совершенство дождевальных машин, а также достигнутый уровень научно-технического развития общественного производства. К примеру, в восьмидесятые годы особое внимание уделялось автоматизации полива, а уже в девяностые на первый план стало выходить энергосбережение. При всем этом требования к качественным показателям искусственного дождевания непрерывно повышаются. В связи с этим, особую актуальность приобретают вопросы оптимизации параметров дождевальных машин, исходя из необходимости соответствия их основных характеристик условиям размещения и возможности реализации экологически безопасных технологий полива при потребных уровнях урожайности. Особое значение, следует придавать вопросам замены на дождевальной технике всех узлов и деталей, содержащих цветные металлы, ибо выход ее из строя по причине разукомплектования принял катастрофические масштабы. Так, в последние годы в области водного хозяйства все более широкое применение находят трубы из полимерных материалов. В отличие от металлических, они стойки к коррозии, легки, эластичны, долговечны, легко поддаются обработке, их удобно монтировать и перевозить. Меньшие потери напора в таких трубах позволяют значительно снизить напор и мощность насосов, уменьшить расчетные диаметры трубопроводов, то есть сэкономить значительное количество электроэнергии. Благодаря эластичности стенок пластмассовых труб, гидравлические удары в них ослаблены.

Одним из основных показателей, определяющих параметры дождевальной машины, является характеристика трубопровода. Она представляет собой зависимость потребного напора, затрачиваемого на перемещение воды и образование искусственного дождя.

Для определения потерь напора водопроводящие узлы агрегатов ДКФ были разделены на три участка: всасывающая линия, центральная часть и консоль фермы.

Величина напора может быть представлена зависимостью:

(1)

где - напор, затрачиваемый на образование дождя, м;

- геометрическая высота подъема жидкости, м;

- сумма гидравлических сопротивлений, м.

Как видно из сводного графика

представленного на рисунке 4, полиэтиленовые трубы работают в первой трети переходной области сопротивления. Коэффициент гидравлического трения л для таких труб зависит как от числа Рейнольдса, так и от относительной шероховатости трубы ():

(2)

Рисунок 4. Зависимость для определения сопротивления полиэтиленовых труб.

Согласно данному графику, имеем следующую зависимость для определения коэффициента гидравлического трения в трубах ПНД:

(3)

где d - внутренний диаметр, мм;

Re - коэффициент Рейнольдса.

В приведенной формуле не учитываются потери напора в стыковых соединениях пластмассовых труб. Коэффициент гидравлического трения л в полиэтиленовых трубах соответствует коэффициенту для гидравлически гладких труб. При определении потерь напора в таких трубах (4000<Re<400000) использовались формулы для гидравлического расчета гладких труб с введением в них коэффициента запаса, равного 2-3 %.

Напор, расходуемый на преодоление гидравлических сопротивлений, является суммарной величиной потерь напора всех элементов системы, в данном случае элементов трубопровода центрального пролета и водопроводящего пояса с дефлекторными насадками секторного действия.

Входящие в формулы коэффициенты гидравлического трения л и местного сопротивления ж учитывают влияние таких факторов, как вязкость

жидкости, состояние внутренних стенок трубы, конструктивные особенности арматуры. Для нахождения значений коэффициентов л и ж использовались справочные данные [3].

Результаты расчетов гидравлических потерь в водопроводящих узлах ДМ ДКФ представлены в таблице 4.1 и на рисунке 4.9-4.11. Сравнительные данные аналогичной дождевальной машины ДДА-100М были взяты из исследований Н. И. Рычкова [4].

В результате обработки на ПЭВМ полученных гидравлических данных водопроводящих узлов двухконсольного дождевального агрегата ДДА - 100М и ДКФ были получены следующие зависимости потерь напора:

а) для всасывающей линии:

ДДА-100М - Н = 0,0003Q² - 0,0373Q + 2,4923 (4)

ДКФ - Н = 0,0003Q² - 0,0362Q + 2,303 (5)

где Н - потери напора, м.вод.ст.; Q - расход, л/с.

б) для центральной части:

ДДА-100М - Н = 0,0011Q² - 0,0791Q + 2,6615 (6)

ДКФ - Н = 0,0003Q² - 0,0006Q - 0,0278 (7)

в) для консоли фермы:

ДДА-100М - Н = 0,0011Q² - 0,0254Q + 1,0646 (8)

ДКФ - Н = 0,0005Q² - 0,0345Q - 0,8816 (9)

в) для суммарной кривой потерь напора:

ДДА-100М - Н = 0,0025Q² - 0,1418Q + 6,2184 (10)

ДКФ - Н = 0,0011Q² - 0,0012Q + 1,3935 (11)

Таким образом было установлено, что потери напора в водопроводящих узлах агрегатов ДКФ при расходе 100 л/с составляют 12,47 м вод. ст., которые слагаются из потерь напора во всасывающей линии - 1,71 м вод. ст., в напорной линии от насоса до начала консолей фермы - 3,49 м вод. ст. и в консолях фермы - 7,27 м вод. ст. Это достигнуто применением полиэтиленовых труб, оптимизацией диаметра водопроводящего трубопровода и уменьшением числа фасонных деталей (местных сопротивлений).

Таблица 4.1. Сравнительная оценка потерь напора в водопроводящих узлах ДДА-100 М и ДКФ

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что потери напора по выбранным узлам машины меньше, чем у ДДА-100М. Это объясняется следующим:

- уменьшена длина всасывающей линии дождевальной машины ДКФ и исключены из конструкции шарнирные муфты, создающие дополнительные потери напора;

- увеличен диаметр напорного трубопровода до 220 мм, по сравнению с ДДА-100М (d = 135 мм) и уменьшена длина всасывающей линии, что значительно уменьшает потери напора как местные, так и по длине;

- применена вантовая подвеска с одним трубопроводом большего диаметра из полиэтиленовых труб низкого давления;

- снижен коэффициент шероховатости, потерь напора по длине и коэффициент местных сопротивлений.

В результате малых потерь по длине, в крыле консоли возможно применение насадок с меньшим количеством типоразмеров.

Литература

1. Носенко В.Ф. Оценка гидравлических характеристик дождевальных машин «Кубань» / В.Ф. Носенко, В.Г. Луцкий, С.С. Савушкин // Гидротехника и мелиорация. - 1983. - №5. - С.41-43.

2. Дождевание в США. М.: Минводхоз СССР, 1973. - 177 с.

3. Идельчих И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1975.

4. Рычков Н.И. Исследования водопроводящих узлов и выявление технико-эксплуатационных показателей двухконсольного дождевального агрегата ДДА-100М в условиях Московской области. Автореф. дис. канд. наук М.,1972.

Размещено на Allbest.ru