Підвищення надійності та вдосконалення закритої зрошувальної мережі з водоповітряними резервуарами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рівненський державний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення надійності та вдосконалення закритої зрошувальної мережі з водоповітряними резервуарами

05.20.05 - гідротехнічні меліорації

Герасімов Євгеній Генріхович

УДК 626: 532. 542: 532. 592. 2

Рівне - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Рівненському державному технічному університеті Міністерства освіти України.

Науковий керівник: ГУРИН ВАСИЛЬ АРСЕНТІЙОВИЧ, доктор технічний наук, професор, завідувач кафедри експлуатації гідромеліоративних систем РДТУ.

Офіційні опоненти: КОВАЛЕНКО ПЕТРО ІВАНОВИЧ, доктор технічних наук, професор, академік УААН, РАСГН, віце-президент УААН, директор Інституту гідротехніки і меліорації УААН; ГАРНИК ВОЛОДИМИР КИРИЛОВИЧ, кандидат технічних наук, директор ВАТ проектно-технологічний інститут “Укроргводбуд”.

Провідна установа: Інститут гідромеханіки НАН України.

Захист відбудеться “ 5 ” листопада 1999 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47. 10401 у Рівненському державному технічному університеті за адресою: 266000, м. Рівне, вул. Соборна, 11.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці РДТУ за адресою: м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий “ 2 ” жовтня 1999 року.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Прогрес сільськогосподарського виробництва неможливий без подальшого розширення будівництва та реконструкції зрошувальних і осушувальних систем, що пов'язано з застосуванням машинного водопідйому, автоматизацією роботи насосних станцій, використанням сучасної низьконапірної високоефективної поливної техніки. У цьому зв'язку актуальним є питання забезпечення надійності водогонів закритих зрошувальних систем, а саме захист закритих зрошувальних мереж (ЗЗМ) від гідравлічних ударів. Одним з ефективних засобів боротьби з гідравлічними ударами є використання на напірних трубопроводах ЗЗМ водоповітряних резервуарів (ВПР).

Існуючі теоретичні рішення задачі підбору параметрів ВПР, одержані Алишевим В. М., діаграми для розрахунків (Сурин А. А., Людевиг Д., Дикаревський В. С., Татура А. Е., Чимидов П. П.), формула Геращенко Л. С. та інших авторів, графоаналітичні розрахунки Сурина А. А., використання ЕОМ Вишневським К. П., Вальвисом П., Фоксом Д. Я., а також результати лабораторних і натурних досліджень, виконаних Геращенко Л. С., залишають декілька питань, які потребують свого вирішення. Так практично відсутня класифікація ВПР. Не встановлено межі використання моделей жорсткого та пружного гідравлічного ударів. Тільки при пусках насосів враховується вплив пружної ємкості водогону. Майже не з'ясовані умови групової роботи ВПР (Баранов В. А.). Не вирішено остаточно проблему оптимізації параметрів ВПР (Маджеров Л.). Існують можливості вдосконалення конструкції ВПР.

Створення обгрунтованої математичної моделі перехідних процесів у системі ВПР - трубопровід дозволить визначити необхідний об'єм повітря у ВПР і параметри вузла приєднання ВПР до водогону, тобто з'ясувати умови оптимізації параметрів ВПР як при поодинокій, так і груповій їх роботі. Такий підхід до проектування ВПР є новим і актуальним у зв'язку з великим впливом гідродинамічних процесів на надійність роботи закритих зрошувальних систем.

Дисертаційна робота продовжує дослідження, що проводяться на кафедрі експлуатації гідромеліоративних систем РДТУ, згідно з загально-кафедральним планом, планом виконання науково-дослідних робіт університету та галузевих програм Держводгоспу України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок вивчення можливостей вдосконалення закритих зрошувальних мереж з ВПР входить складовою частиною у наукові дослідження, які виконуються за планом кафедри експлуатації гідромеліоративних систем РДТУ, тематичним планом університету та галузевим програмам Держводгоспу України.

Мета і задачі роботи. Метою роботи є створення методу обгрунтування параметрів ВПР, які використовуються, як гасники гідравлічного удару, для підвищення надійності роботи ЗЗМ, а також вдосконалення конструкцій ВПР і вузлів їх приєднання до водогону. Для досягнення мети сформульовані такі задачі:

розробити методику математичного моделювання перехідних процесів в водогонах з ВПР та перевірити її адекватність;

встановити межі використання моделей жорсткого та пружного гідравлічного ударів;

розробити методику графоаналітичних розрахунків значень параметрів ВПР - об'єму повітря у ВПР та коефіцієнтів гідравлічних опорів вузла приєднання ВПР до водогону;

розробити методику оптимізації параметрів ВПР;

розробити програму розрахунків на ЕОМ перехідних процесів в водогоні з ВПР;

розробити нові конструкції ВПР з пристроями поповнення їх повітрям;

провести експериментальні дослідження поодинокої та групової роботи ВПР на ЗЗМ;

виконати оцінку надійності та техніко-економічної ефективності застосування групової роботи ВПР.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше одержано комбіновану модель гідравлічного удару на базі рівняння неусталеного руху рідини з урахуванням пружної ємкості водогону.

Удосконалено методику математичного моделювання перехідних процесів у водогоні з ВПР, що дозволяє обгрунтувати конструкцію з'єднувального трубопроводу, вперше розроблена графоаналітична методика оптимізації параметрів ВПР напрямленої дії з використанням одержаних графічних критеріальних залежностей для параметрів ВПР.

Запропоновані нові конструкції ВПР з системами поповнення повітря в них.

Виконана експериментальна перевірка поодинокої та групової роботи ВПР, і встановлена адекватність запропонованих математичних моделей.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати мають практичне значення. Розроблена комбінована модель гідравлічного удару зберегла спрощену структуру моделі “жорсткого” гідравлічного удару при достатній розрахунковій точності, яка характерна для моделі пружного гідравлічного удару. Розроблені практичні рекомендації щодо використання ВПР включають методику графоаналітичної оптимізації параметрів ВПР. Розроблена методика оптимізації параметрів водоповітряного резервуара та програма розрахунків на ЕОМ перехідних процесів у водогонах з водоповітряним резервуаром - “RESOC97”, увійшли складовою частиною до галузевої НТД “Рекомендації для захисту водогонів від гідравлічного удару водоповітряними резервуарами”. Розроблені нові конструкцій ВПР з гідравлічними пристроями для поповнення повітря та нова водоповітряна колона. Розроблені рекомендації для використання ВПР при їх поодинокій та груповій роботі на трубопровідних мережах. Річний економічний ефект захисту ЗЗМ від гідравлічного удару водоповітряними резервуарами (розрахунковий) складає 4, 2 грн. на гектар зрошувальної площі, або 85, 2 грн. на один водоповітряний резервуар.

Особистий внесок здобувача. В ході підготовки дисертаційної роботи особисто отриманими здобувачем результатами є: а) проведення математичного моделювання перехідних процесів (понад 14, 5 тис. розрахунків) для розкриття критеріальних залежностей, які характеризують параметри ВПР; б) розробка методики розрахунків і оптимізації параметрів ВПР на основі графічних критеральних залежностей; в) розробка методики розрахунків параметрів пристроїв поповнення повітрям ВПР; г) експериментально досліджені гідравлічні опори різних конструкцій приєднання ВПР до водогону; д) експериментально підтверджений вплив параметрів ВПР на перехідні процеси при поодинокій та груповій роботі ВПР; е) проведена оцінка надійності та техніко-економічної ефективності групової роботи ВПР; ж) розроблені рекомендацій по використанню ВПР різних конструкцій.

Чисельне моделювання перехідних процесів (розділ 2), розрахунок вузла розривностей з ВПР розроблені спільно з Герасимовим Г. Г., причому автором була розроблена методика врахування пружної ємкості водогону.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень і положення дисертації апробовані на ювілейній науково-технічній конференції УІІВГ (Рівне, 1995 рік), на науково-технічній конференції “Проблеми меліорації в Україні” (Дніпропетровськ, 1996 рік), на III, IV, V-тій науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів, студентів академії УДАВГ (Рівне 1997, 1998, 1999 р. р.).

Публікації. Основні результати досліджень викладені у 10 наукових працях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація викладена на 146 сторінках машинописного тексту, який ілюструється 19 таблицями та 75 рисунками і складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 287 назв та чотирьох додатків на 99 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

гідравлічний удар водогін

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульована мета і задачі досліджень, наводиться стисла характеристика роботи.

У першому розділі виконаний аналіз сучасного стану проектування, будівництва та експлуатації ЗЗМ в плані забезпечення надійної їх роботи.

У розділі розглянуто властивості надійності ЗЗМ, визначення основних показників надійності, залежності показників надійності від схеми з'єднання елементів систем, поняття оптимальної надійності ЗЗМ, використання комплексних показників надійності, систему цільових функцій, які використовуються при проектуванні ЗЗМ. При значній кількості літератури з надійності технічних систем питаннями забезпечення надійності трубопровідних меліоративних систем та систем водопостачання присвячена невелика кількість робіт таких авторів: МірцхулаваЦ. Е., Абрамов Н. Н., Ильин Ю. А., Горюнов А. Н., Науменко І. І., Гурин В. А., Щурик В. О., Кошулян Ф. В., Гарник В. К. та інші.

Причини відмови ЗЗМ із азбестоцементних труб обумовлені у більший частині розривами труб і порушенням герметичності стикових з'єднань. На долю останніх припадає 92% відмов. На ліквідацію наслідків відмов витрачається 15-40% часу роботи системи у зрошувальний період. Вартість ліквідації одного пошкодження з урахуванням вартості труби залежить від її діаметра і змінюється від 50 до 350 грн., врожайність сільськогосподарських культур при порушенні строків поливу може знизитися на 20-40%.

За даними багатьох авторів у 70-80% випадків причиною розривів труб є динамічні перехідні процеси - гідравлічні удари.

Питанням розробки теорії гідравлічного удару і засобам боротьби з ним присвятили свої роботи Жуковський Н. Е., Сурин А. А., Цикерман Л. Я., Мостков М. А., Блохин В. И., Лямаєв Б. Ф., Дикаревський В. С., Гурин В. А., Герасімов Г. Г. та інші. Експериментальні дослідження гідравлічних ударів виконали Смірнов Д. Н., Дикаревський В. С., Блохин В. И., Рудь А. М., Геращенко Л. С., Яковлев Н. П., Гурин В. А., Герасимов Г. Г., Шевченко А. В., Гринь Ю. І. та інші. За кордоном питанням дослідження та розрахунків гідравлічного удару займалися Parmakian J., Evangelisti G., Streeter V. L. Batta, Baltzer R. A., Dolter T. R., Kalwijk I. P., Martin C. S., Everett S. W., Seipt W. R., Fox I. A. та інші.

В розглянутих роботах з одного боку підтверджується ефективність гасників гідравлічного удару, а з іншого зазначається, що захисно-регулююча арматура на ЗЗМ сама може слугувати причиною відмов ЗЗМ. Вплив ВПР на характер перехідного процесу у складній трубопровідній мережі вивчено недостатньо.

ВПР виконуються у вигляді сталевих посудин тиску із розміщенням їх вертикально або горизонтально із спеціальною конструкцією вузла приєднання ВПР до водогону. Недоліком ВПР є можливість розчинення повітря у воді. Для його поповнення використовують компресори, або спеціальні пристрої з ежекторами. Для збереження повітря у ВПР використовують також різні елементи, які відокремлюють повітря від води.

Для визначення необхідного об'єму повітря в ВПР є методи розрахунку і залежності, які запропонували: Енгер М. А., Маркарян А. Я., Григорян М. А., Геращенко А. С., Веремчук А. І., Крисенков М. І., Жуковський Н. Е., Зубов Б. Л., Шокліч, Берг, Боренданс В., Чижовський Р., Еванжелісті Д., Гауденбергер В., Сліосберг, Трансколанський А. Т., Дальхауз, Ланг, Людевіг Д., Дикаревський В. С., Татура А. Е., Алишев В. А., Чимидов П. П., Пармакян, Сурин А. А., Маркин А. А. та інш. Розрахунки об'єму повітря у ВПР за наведеними методами дають суттєві розбіжності. Також розглянуто теоретичні основи розрахунків перехідних процесів у водогонах з ВПР.

Аналіз сучасного стану вивчення умов експлуатації ЗЗМ, існуючих способів та засобів боротьби з гідравлічним ударом, вивчення роботи ВПР дозволило обгрунтувати вибір напрямків досліджень.

У другому розділі запропоновано нову комбіновану математичну модель опису перехідних процесів у напірному трубопроводі з ВПР, яка базується на використанні рівнянь “жорсткого” гідравлічного удару і враховує вплив пружної ємкості напірного трубопроводу.

Система одержаних рівнянь у безрозмірних величинах, яка описує перехідний процес, має такий вигляд

, (1) , (2)

, (3) , (4)

де q = Q / Q_б, h = H/H_б, V = W/W_б, V_y = W_y/W_б, y = Y/Н_б, = t/T_r - відповідно відносні параметри перехідного процесу: подача, напір, об'єм повітря у ВПР, об'єм пружної ємкості трубопроводу, перевищення відміткою рівня води площини порівняння 0-0, час, рис. 1; k, k_y, , K_E - відповідно критерії подібності: втрат напору в трубопроводі, втрат напору у вузлі приєднання ВПР до трубопроводу, об'єму повітря у ВПР, пружної ємкості трубопроводу; - показник політропи.

Базові величини приймаються таким чином: Q_б = Q_п, Н_б = Н_{0. а} = Н_{ст. а}, W_б= W₀; t = T_r; де Q_п - початкова витрата трубопроводу; Н_{0. а} = Н_{ст. а} - статичний абсолютний напір, див. рис. 1; W₀ - об'єм повітря у ВПР при напорі Н_{0. а}; T_r - постійна трубопроводу. Постійна трубопроводу T_r визначається так

, (5)

де L_j, f_j - відповідно довжина та площа поперечного перерізу j - тої ділянки трубопроводу, g - прискорення сили тяжіння.

Критерії подібності перехідних процесів визначаються такими залежностями

, (6) , (7)

при Q > 0 , (8)

при Q < 0 , (9)

, (10) , (11)

де v_б - базова швидкість води у трубопроводі; , - відповідно коефіцієнти опору води по довжині і місцеві; Н_Wп - втрати напору при витраті Q_б; k_1y, k_2y - критерії подібності втрат напору у вузлі приєднання ВПР до трубопроводу; _1y, _2y - коефіцієнти гідравлічного опору вузла приєднання ВПР до водогону, відповідно при надходженні води у ВПР і при його випорожненні; а - швидкість хвилі гідравлічного удару; ^* - критерій гомохронності.

Критерій гомохронності визначається співвідношенням

, (12)

де Т - період коливального процесу.

При першому наближенні значення Т можливо визначати за формулою

. (13)

Критерій гомохронності ^* визначає межі застосування комбінованої математичної моделі перехідного процесу: 0 ^* < 0, 334 - модель “жорсткого” гідравлічного удару, 0, 334 ^* 1 - комбінована модель перехідного процесу, ^* > 1 - модель пружного гідравлічного удару.

Система рівнянь (1) - (4) складається з трьох диференційних і одного транцедентного рівняння. Аналітичне вирішення зазначеної системи зустрічає деякі труднощі, тому ця система вирішується методом чисельного інтегрування.

Після переходу до кінцевих різниць у рівняннях (1) - (4) та деяких перетворень одержано такі рекурентні залежності:

_i = _i-1 + , (14) , (15)

q_i = q_і-1 + q_i, (16) V_i = V_i-1 + (q_i + q_i-1) + K_E h_i-1, (17)

, (18) h_i = h_i - h_i-1, (19) h_{тр. і} = h_i - k_y q_iq_i, (20)

де h_{тр. і} - відносний абсолютний напір у трубопроводі в і - тий момент часу.

Задаючись достатньо малим значенням за залежностями (14) - (20) можна розрахувати як змінюються параметри перехідного процесу за часом , рис. 2. Залежності (14) - (20) стали основою алгоритму програми “RESOC97” на мові “Qbasic” для ПК “Pentium-166”, яка наведена у додатку Б дисертації.

Адекватність одержаної математичної моделі підтверджено шляхом порівняння результатів математичного моделювання з даними дослідів та розрахунків інших авторів.

Математичне моделювання дає можливість з'ясувати максимальний відносний напір h_м і мінімальний відносний напір h_к, див. рис. 2. Ці напори визначають мінімальне Zmin і максимальне Z_max відносне відхилення напору від значення відносного статичного абсолютного напору h_{0. а} = 1.

Z_min = 1 - h_к, (21) Z_max = h_м - 1. (22)

Для розкриття функціональних залежностей

Z_min = Ф₁ (, k, k_2y, K_E), (23) Z_max = Ф₂ (, k, k_1y, K_E), (24)

при значенні показника політропи = 1, 3 було виконано математичне моделювання понад 14500 перехідних процесів. Критерії подібності змінювалися в таких межах = 0, 05... 3, 0; k=0... 2, 5; k_1y = 0... 2, 5; k_2y = 0... 1, 2; К_Е = 0... 0, 4. Крок розрахунків у часі змінювався в межах =0, 05... 0, 2.

За результатами розрахунків побудовані графіки функцій (23), (24), які наведені у додатку А дисертації, а чотири діаграми (серії залежностей) показані на рис. 3.

Користування зазначеними графіками проілюстровано прикладами розрахунку для ВПР без гідравлічного опору і для ВПР з диференційним опором вузла приєднання до водогону.

Одержані графіки (додаток А) дозволили розробити графоаналітичний метод оптимізації параметрів ВПР. Цільова функція оптимізації

W₀ min, (25)

при обмеженнях

Н_max Н_{max. доп} = Н_{м. а}, (26) Н_min Н_{min. доп} = Н_{к. а}, (27) Н_{р. а} = Н_р + Н_а > , (28)

де Н_{max. доп}, Н_{min. доп} - відповідно максимальний і мінімальний допустимий напір у напірному трубопроводі, - абсолютний допустимий напір, який дозволяє уникнути появи кавітації, Н_а- напір, який відповідає атмосферному тиску, Н_а = 10 м. в. ст., Н_р - напір у розрахунковому перерізі з'єднувального трубопроводу, рис. 4.

Методика оптимізації параметрів ВПР полягає у наступному. При відомих значеннях абсолютних напорів: статичному Н_{0. а}, початковому Н_{п. а}, мінімальному Н_{к. а}, максимальному Н_{м. а}; втраті напору Н_Wп, базових: витраті Q_б, напорі Н_б, швидкості v_б знаходять відносні допустимі відхилення , , критерії втрат напору k і критерій k_2y, виходячи з конструкції з'єднувального трубопроводу, див. рис. 4. Задаючись чотирма значеннями W₀ - об'єму повітря у ВПР, визначають Т, ^*, К_Е1, К_Е, , а за графіком Z_min = (k, ), див. рис. 3. а,. знаходимо відповідні значення Z_min і будуємо графіки функцій = (Z_min) ; W₀ = (Z_min) ; К_Е = (W₀), рис. 5. Користуючись ціми графіками, за значенням знаходимо необхідні параметри ВПР W₀, , К_Е. Задаючись декількома значеннями k_1y при відомих , К_Е, k за графіками Z_max = (, k, k_1y, К_е), див. рис. 3. б, в, г. Знаходимо Z_max і будуємо графік k_1y = (Z_max). З цього графіка за значенням визначаємо необхідне значення k_1y а воно вже визначає необхідний діаметр обвідної лінії (байпаса) d₀. Таким чином, розглянута методика дозволяє визначити необхідний об'єм повітря у ВПР W₀ при абсолютному статичному напорі Н_{0. а} і коефіцієнт гідравлічного опору вузла приєднання ВПР до водогону k_1y при втіканні води в ВПР. Ці параметри відповідають цільовій функції і обмеженням (25) - (27) і тому є оптимальними, тому що забезпечують найменший можливий об'єм ВПР в заданих умовах і відповідну його вартість.

Чисельне моделювання перехідних процесів у водогоні з ВПР при різних значеннях W₀, k_1y, k_2y показує, що оптимізація параметрів ВПР можлива шляхом зменшення об'єму повітря в ВПР при збільшенні гідравлічних опорів з'єднувального трубопроводу, як при наповненні так і при випорожненні ВПР.

Для умов конкретного водогону були виконані порівняльні розрахунки за розглянутими формулами і за графоаналітичним способом, який вважається перевіреним на адекватність. Відносні відхилення (%) об'єму повітря і максимального напору визначалися за формулами _W= (W₀ - W_{0. ч}) 100/ W_{0. ч}, _Н = (Н_м - Н_{м. ч}) 100/ Н_{м. ч}, де W_{0. ч}та Н_{м. ч} - відповідно об'єм повітря та максимальний напір, які одержані графоаналітичним способом, або методом математичного моделювання. Відносні відхилення змінювалися у таких межах _W =-69, 5... 169%; _Н=-84, 7... 50%.

У третьому розділі наведена запропонована класифікація конструкцій ВПР. Розглянуті характеристики ВПР з порівняльною оцінкою властивостей їх конструкції. Наведені формули для визначення гідравлічних опорів різних конструкцій вузлів приєднання ВПР до трубопроводу.

Наведено опис схем принципу дії і умов застосування нових конструкцій ВПР, табл. 1. Розглянуто методику і приклад розрахунку основних параметрів пристрою для використання ефекту підсмоктування повітря із-зовні у ВПР при перехідному процесі в мережі.

Для ВПР напрямленої дії одержана вдосконалена математична модель розрахунку перехідних процесів в водогоні з урахуванням: а) коефіцієнтів гідравлічного опору по довжині водогону в умовах нестаціонарності (формула С. Б. Маркова), б) впливу числа Рейнольдса на коефіцієнт місцевих опорів у з'єднувальному трубопроводі за формулою В. Д. Альтшуля, в) взаємовпливу місцевих опорів за формулами і графіками Е. А. Гижи; г) інерційного напору струменя, що входить у ВПР.

Результати математичного моделювання за вдосконаленою методикою показали, що графіки перехідного процесу дещо наближуються до експериментальних але мало відрізняються від попередньої спрощеної математичної моделі.

У четвертому розділі викладені опис експериментальної установки, вимірювальних приладів і апаратури, дана оцінка похибок вимірювань, визначені умови фізичного моделювання перехідних процесів. Розроблена методика досліджень, експериментально визначені гідравлічні опори в усталеному режимі роботи для різних конструкцій з'єднувальних трубопроводів, а також співставлені одержані значення ціх опорів за загально прийнятою методикою їх визначення, виконані дослідження пристроїв поповнення повітрям ВПР. Конструкції ВПР і розміри їх елементів наведені у робочих кресленнях додатку В дисертації.

Експериментальні дослідження проведені на установці кафедри ВВЕ та ГМ РДТУ, яка включала робочу ділянку напірного трубопроводу діаметром 100 мм; довжиною 100 м при статичному напорі 11 м. Вода в трубопровід надходила з напірного резервуару з вільною поверхнею, який був обладнаний переливною стінкою. У напірний резервуар вода подавалася насосом. Витрати води в усталеному режимі вимірювалися мірним трикутним водозливом. Швидкість початкового руху води змінювалася в межах 0, 585... 1, 24 м/с при числах Рейнольдса 20000... 280000. Коефіцієнти гідравлічного опору з'єднувального трубопроводу для різних конструкцій знаходились в межах _1y = 1, 67... 11419; _2y = 5, 7... 11630. Тиск води в трубопроводі і ВПР на початку дослідів контролювався зразковими манометрами.

Зміна тиску при перехідних процесах фіксувалася на фотострічці осцилографа Н-117/1 з тензопідсилювачем 8АНЧ-7М. Досліди виконувалися окремими серіями в залежності від конструкції з'єднувального трубопроводу, який характеризувався конкретним значенням гідравлічного опору. Результати обробки осцилограм наведені у вигляді графіків зміни напорів за часом. Для кожного досліду визначався коефіцієнт ефективності ВПР за формулою

, (29)

де Н_УФ - можливий ударний напір в умовах прямого гідравлічного удару, Н_УФ - підвищення напору за рахунок прямого гідравлічного удару, Н_max - максимальний напір, який приймається рівним більшому з двох величин Н_{тр. max} і Н_{ВПР. max}. Для розглянутих у дисертації дослідів 1-8 серій коефіцієнт ефективності ВПР змінювався в межах від 0, 42 до 0, 85. Це говорить про те що ВПР дозволяє зменшити зростання максимального напору на 42... 85%.

Таблиця 1

Конструкції водоповітряних резервуарів.

Схеми ВПР	Характеристики конструкцій
	Принцип дії	Умови використання
Пристрій для боротьби з гідравлічним ударом Заявка №99021025 від 23. 02. 1999	При перехідних процесах швидкість течії у звужених частинах з'єднувального трубопроводу настільки зростає, що тиск у робочій камері падає нижче атмосферного і повітря крізь зворотний клапан потрапляє у з'єднувальний трубопровід, а звідси у ВПР	Підсмоктує повітря при пусках (зупинках) дощувальних машин або насосних станцій та при наповненні трубопровідної мережі
2. Протиударний пристрій Заявка №99021027 від 23. 02. 1999	При наповненні гідросистеми водою струменевий насос підсмоктує повітря і падає його у ВПР. При піднятті тиску у ВПР відсічний клапан від'єднує струменевий насос і переводить пристрій у режим роботи ВПР з диференційним гідравлічним опором	Розташовується на ділянках ЗЗМ, де не передбачається виділення повітря з води, а саме на таких ділянках, які мають нахил у напрямі течії більший ніж нахил п'єзометричній лінії
Подвійна водоповітряна колона Заявка №99021024 від 23. 02. 1999	При наповненні гідросистеми вода піднімається до нижньої перемички, що створює додатковий статичний напір. При подальшому підйомі тиску пристрій працює як ВПР з диференційним гідравлічним опором, а при падінні тиску, як пристрій впуску води, і защемлення повітря	Як багатофункціональний пристрій розташовується на верхніх переломних точках напірних трубопроводів зрошувальних насосних станцій

Результати досліджень групової роботи підтверджують попередні висновки про вплив параметрів ВПР на перехідний процес в трубопроводі, проте спостерігаються і деякі особливості, а саме: а) чим далі розташовані ВПР від місця виникнення гідравлічного удару, тим менша його ефективність, як гасника гідравлічного удару; б) починаючи з другого періоду коливань, зміна напорів у ВПР відбувається синхронно, що підтверджує явище відмічене В. А. Гуриним; в) період коливань напорів пропорційний сумарному об'єму повітря у ВПР.

На рис. 6 наведені графіки зміни напорів у трубопроводі і ВПР для дослідів 9 серії. У розглянутих дослідах коефіцієнт ефективності змінювався від 0, 04 до 0, 74. Саме у досліді 10. 1. 4ВПР №4 з повітрям був розташований далеко від місця виникнення гідравлічного удару, тому К_ЕФ= 0, 04. Ці дані призводять до висновку, що розміщувати ВПР при груповій роботі необхідно рівномірно вздовж ділянки трубопроводу. Крім того, встановлено, що заміна одного ВПР, розташованого у місці виникнення гідравлічного удару, декількома ВПР з однаковим сумарним об'ємом повітря знижує ефективність дії ВПР. Тому ефективність групової роботи ВПР необхідно додатково перевіряти з використанням моделі пружного гідравлічного удару.

У п'ятому розділі розглянута робота ВПР в умовах пружного гідравлічного удару; розроблена методика розрахунків параметрів ВПР за умови оптимізації їх групової роботи і наведені приклади розрахунків у 6 варіантах; виконана оцінка надійності та техніко-економічної ефективності засобів боротьби з гідравлічним ударом в ЗЗМ; розроблені рекомендації по використанню ВПР різних конструкцій.

Математичне моделювання перехідних процесів в умовах “жорсткого” гідравлічного удару не дозволяє прослідкувати зміни тиску в окремих точках по довжині водогону, тому неприйнятна для групової роботи ВПР.

Методи розрахунків перехідних процесів в водогонах з ВПР, які базуються на моделі пружного гідравлічного удару, більш складні, але позбавлені вказаних недоліків. В цьому розділі дисертації розглянуто уточнення методики розрахунку вузла розривностей з ВПР, який описують системою з семи рівнянь. Вирішення цієї системи здійснюється методом поступового наближення Вегстейна.

Співставлення експериментальних даних з результатами математичного моделювання в умовах пружного гідравлічного удару показує, що задовільного наближення можливо досягти, враховуючи наявність нерозчиненого повітря у воді, про що вказує і значення швидкості розповсюдження гідравлічного удару а = 730 м/с, яка одержана у дослідах.

Співставлення результатів математичного моделювання з даними натурних досліджень для розподільчого трубопроводу РТ-27-7 Маяко-Біляєвської зрошувальної системи дає задовільну збіжність при врахуванні істинного газовмісту в межах ₀ = 0... 0, 0008.

При багатоваріантному проектуванні цільові функції надійності для визначення оптимального варіанта мають такий вигляд

ПЗ (P (t)) = И + Е_нК min,. (30) Р (t) > Р_{Д. min}, (31)

де ПЗ (P (t)) - приведені затрати на річну продукцію; И - річні експлуатаційні видатки, К - капіталовкладення в виробничі фонди; Е_н - нормативний коефіцієнт економічної ефективності капіталовкладень, Е_н = 0, 15; Р (t) - показник надійності об'єкта, Р_{Д. min} мінімальний допустимий показник надійності. При площі зрошення системи меншою 10000 га Р_{Д. min} = 0, 85... 0, 8.

Прийнятий у прикладі розрахунку варіант захисту трубопроводу від гідравлічного удару за допомогою стояків - гідрантів з ВПР відповідає мінімуму приведених затрат, заданому рівню надійності і забезпечує річний економічний ефект 4, 2 грн. на га зрошувальної площі, або 85, 2 грн. на один водоповітряний резервуар.

ВИСНОВКИ

Розроблена нова математична модель описання перехідного процесу у системі водогін - водоповітряний резервуар з урахуванням пружної ємкості водогону, яка названа комбінованою моделлю гідравлічного удару, дозволяє більш обгрунтовано визначати параметри водоповітряного резервуара.

Встановлено, що межі застосування моделей жорсткого, пружного гідравлічного удару та комбінованої моделі визначаються критерієм гомохронності ^*, який дорівнює відношенню півфази гідравлічного удару до чверті періоду коливань витрати рідини при перехідному процесі, а саме: при 0 < ^* < 0, 334 - модель жорсткого гідравлічного удару, при 0, 334 ^* 1 - комбінована модель гідравлічного удару, при ^* > 1 - модель пружного гідравлічного удару.

Виходячи з комбінованої моделі гідравлічного удару одержані розрахункові графіки і формули для визначення параметрів ВПР - об'єму повітря і коефіцієнтів гідравлічного опору вузла приєднання ВПР до водогону. Перевірена адекватність спрощеної і розширеної математичної моделі.

Розроблена методика оптимізації параметрів ВПР і програма розрахунків на ЕОМ перехідних процесів у водогонах з ВПР - “RESOC97”, дозволяє зменшити об'єм ВПР, що відповідно зменшує його металоємкість і вартість.

Розроблені нові конструкції ВПР з пристроями поповнення їх повітрям, які призначені для розташування на ділянках закритих зрошувальних мереж, де не передбачається виділення повітря з води, а саме на таких ділянках, які мають нахил у напрямі течії води більший ніж нахил п'єзометричної лінії. Подвоєна водоповітряна колона, як комбінований пристрій боротьби з гідравлічним ударом, рекомендується для використання в верхніх переломних точках напірних трубопроводів зрошувальних насосних станцій.

6. Розроблена класифікація ВПР за: конструкцією, місцем розміщення; умовами експлуатації.

7. Експериментальні дослідження поодинокої і групової роботи ВПР підтвердили висновки одержані на основі математичного моделювання:

а) збільшення гідравлічного опору вузла приєднання ВПР до водогону призводить до зменшення необхідного для погашення гідравлічного удару об'єму повітря і відповідно до зменшення металоємкості і вартості ВПР;

б) існування такого раціонального співвідношення параметрів ВПР (гідравлічних опорів вузла приєднання ВПР до трубопроводу та об'єму повітря в ВПР), при якому максимальний напір в трубопроводі при перехідних процесах не перевищує максимальний напір у ВПР;

в) при груповій роботі ВПР коливання напору в них відбувається майже одночасно, причому період коливань пропорційний сумарному об'єму повітря у ВПР;

г) досить високу ефективність роботи ВПР, що характеризується коефіцієнтом ефективності К_еф, який змінюється в межах 0, 42... 0, 85.

8. Розроблена методика оптимізації параметрів ВПР при їх груповій роботі на закритій зрошувальній мережі за мінімумом приведених затрат, які змінюються в залежності від імовірності безвідмовної роботи трубопроводу з різними варіантами захисту від гідравлічного удару, і при умові, що імовірність безвідмовної роботи трубопроводу не падає нижче допусти-мого значення Р_{д. min}, якщо своєчасно проводиться технічне обслуговування цього трубопроводу. Виконані техніко-економічні розрахунки для розподільчого трубопроводу РТ-27-7 Маяко-Беляєвської зрошувальної системи показують, що щорічна економічна ефективність прийнятої оптимізованої системи захисту трубопроводу від гідравлічного удару за допомогою стояків-гідрантів з ВПР складає 4, 2 грн. на гектар зрошувальної площі, або 85, 2 грн. на кожний ВПР.

9. Розроблені рекомендації по використанню ВПР різних конструкцій з обгрунтуванням місця їх розташування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ:

Герасімов Є.Г. Визначення параметрів водоповітряних резервуарів /Проблеми гідромеліорації в Україні: Матеріали наукової конференції (16-19 квітня 1996 р.). -Дніпропетровськ: Дніпропетровський державний аграрний університет, 1996. -с. 23-26.

Герасімов Є.Г. Оптимізація параметрів водоповітряного резервуара /Збірник статей Української державної академії водного господарства. -Рівне, 1997, -Частина перша. -с. 54-57.

Герасімов Є.Г. Критеріальний аналіз методів розрахунку водоповітряних резервуарів /Збірник статей Української державної академії водного господарства. - Рівне, 1997, - Частина друга. -с. 17-20.

Герасімов Є.Г. Математичне моделювання перехідних процесів у водогоні з водоповітряним резервуаром //Вісник Української державної академії водного господарства: Збірник наукових праць. -Рівне, 1998. - вип. 1, частина 2. - с. 14-19.

Герасимов Г.Г., Герасімов Є.Г. Математична модель пружного гідравлічного удару у водогоні з водоповітряними резервуарами //Вісник Української державної академії водного господарства: Збірник наукових праць. -Рівне, 1998. - вип. 1, частина 2. - с. 9 - 14.

Гурин В.А., Герасимов Г.Г., Герасімов Є.Г. Боротьба з гідравлічним ударом у закритій зрошувальній мережі за допомогою групової роботи гідрантів - водовипусків з водоповітряними резервуарами //Вісник Української державної академії водного господарства: Збірник наукових праць. -Рівне, 1998. - вип. 1, частина 2. - с. 19 - 23.

Розрахунок водоповітряного резервуара з гідравлічним опором. Гурин В.А.,. Герасимов Г.Г., Герасімов Є.Г. ; Укр. ін-т інженеров водн. госп-ва. -Рівне 1995, -20 с. -Деп. у ДНТБ України 19. 09. 95; № 2111, Ук 95.

Чисельне моделювання перехідних процесів у напірному трубопроводі з водоповітряним резервуаром /Герасимов Г.Г.,. Герасімов Є.Г. ; Укр. ін-т інженеров водн. госп-ва. -Рівне, 1995. - 19 с. - Укр. - Деп. в ДНТБ України 19. 09. 95, № 2110, Ук. 95.

9. Графіки і формули для розрахунків водоповітряного резервуара /Герасімов Є.Г. ; Укр. ін-т інж. водн. госп-ва. -Рівне, 1998. -58 с. -Укр. -Деп. в ДНТБ України 02. 02. 98, №288, -Ук. 98.

10. Герасимов Г.Г., Герасімов Є.Г. Математичне моделювання перехідних процесів у напірних трубопроводах з водоповітряним резервуаром //Тези доповідей ювілейної н. -т. конференції проф. -виклад. складу та студентів інституту, присвячена 50-річчю перемоги у Великій вітчизняній війні 27 березня - 15 квітня 1995 р. -Рівне 1995. - Частина І. -с. 72.

АНОТАЦІЯ

Герасімов Євгеній Генріхович. Підвищення надійності та вдосконалення закритої зрошувальної мережі з водоповітряними резервуарами. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 20. 05 - гідротехнічні меліорації, Рівне, 1999 р.

Дисертацію присвячено питанням проектування закритих зрошувальних мереж (ЗЗМ) з водоповітряними резервуарами (ВПР). В дисертації розроблено нову комбіновану модель перехідних процесів в водогонах з ВПР на базі “жорсткого” гідравлічного удару, яка враховує пружну ємкість водогону. На основі математичного моделювання одержані графіки критеріальних залежностей (діаграми) і розроблено графоаналітичний метод оптимізації параметрів ВПР. Математичне моделювання та експериментальні дослідження поодинокої та групової роботи ВПР підтвердили ефективність використання ВПР з диференційним гідравлічним опором вузла приєднання його до водогону.

Розроблена методика оптимізації параметрів ВПР при їх груповій роботі на ЗЗМ за мінімумом приведених затрат в залежності від показника надійності водогону. Розроблені пристрої для поповнення ВПР повітрям. Методика графоаналітичного визначення параметрів ВПР та програма розрахунку на ЕОМ перехідних процесів в водогонах з ВПР.

Ключові слова: надійність, водогін, закрита зрошувальна мережа, вдосконалення, водоповітряний резервуар, перехідний процес, гідравлічний удар, коефіцієнти гідравлічного опору, математична модель, оптимізація.

АННОТАЦИЯ

Герасимов Евгений Генрихович. Повышение надежности и усовершенствование закрытой оросительной сети с водовоздушными резервуарами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 20. 05 - гидротехнические мелиорации. Ривнэнский государственный технический университет, Ривнэ, 1999 г.

Диссертация посвящена вопросам проектирования закрытых оросительных сетей (ЗОС) с водовоздушными резервуарами (ВВР). В диссертации выяснено современное состояние вопроса с точки зрения обеспечения надежности, условий експлуатации и методики расчетов ЗОС, способов борьби с гидравлическими ударами, в том числе с помощью существующих конструкций ВВР.

В диссертации разработана новая комбинированная математическая модель переходных процессов в трубопроводах с ВВР на базы “жесткого” гидравлического удара, которая учитывает упругую емкость трубопровода. Адекватность этой модели проверена путем сопоставления результатов математического моделирование с эксперименальними данными и расчетами других авторов.

На основании математического моделирования получены графики критериальних зависимостей (диаграммы) и разработан графоаналитический метод оптимизации параметров ВВР. Этот метод проиллюстрировано примерами расчетов параметров ВВР направленного действия. Показано, что уменьшение объема воздуха в ВВР возможно достигнуть за счет увеличения гидравлических сопротивлений узла присоединения ВВР к трубопроводу, как при наполнении, так и при опорожнении ВВР.

Выполнен сравнительный анализ существующих методов определения параметров ВВР.

Предложена классификация ВВР по таким основным признакам: конструкции, месту размещения, условиям експлуатации.

Получены зависимости для расчетов параметров узла присоединения ВВР к трубопроводу.

Разработаны три конструкции ВВР (устройство для борьбы с гидравлическим ударом, противоударной устройство, водовоздушная колонна), которые позволяют в условиях динамической роботы ЗЗС пополнять ВВР воздухом, предложена методика расчетов параметров этих конструкций.

Экспериментально определены коэффициенты гидравлического сопротивления разных конструкций узлов присоединения ВВР к трубопроводу и выполнено сопоставление этих данных с расчетными.

Разработана расширенная математическая модель переходных процессов с учетом: а) коефициентов гидравлического сопротивления по длинне трубопровода в условиях нестационарности, б) влияния числа Рейнольдса на коэффициент местного сопротивления в соединительном трубопроводе, в) взаимовлияния местных сопротивлений, г) инерционного напора струи, входящей в ВВР. Расширенная математическая модель переходных процессов в трубопроводах с ВВР приближает расчетые значения к экспериментальным, но в то же время незначительно отличается от результатов полученных при помощи первоначальной упрощенной математической модели.

Математическое моделирование и экспериментальные исследования одиночной и групповой работы ВВР подтвердили эффективность использования ВВР с дифференциальным сопротивлением узла присоединения его к трубопроводу. Установлено, что при групповой работе ВВР изменение давления воздуха в них происходит практически одновременно, а период колебаний напора воды пропорционален суммарному объему воздуха в ВПР.

Разработана методика оптимизации параметров ВВР при их групповой работе на ЗОС по минимуму приведенных затрат в зависимости от показателя надежности трубопровода. Выполнены технико-экономические расчеты шести вариантов защиты распределительного трубопровода от гидравлического удара. Принятый оптимальный вариант защиты трубопровода с помощью четырех ВВР обеспечивает расчетный годовой экономоческий эффект 4, 2 грн. На гектар оросительной площади или 85, 2 грн. На каждый ВВР.

Разработаны рекомендации по использованию ВВР разных конструкций с обоснованием мест их размещения.

Ключевые слова: надежность, трубопровод, закрытая оросительная сеть, усовершенствование, водовоздушный резервуар, переходной процесс, гидравлический удар, коэффициенты гидравлического сопротивления, оптимизация.

SUMMARY

Gerasimov Evgenij Genrikhovich. Increase of reliability and improvement of closed irrigation net with air chambers. - Manuscript.

Candidate of technical science thesis in speciality 05. 20. 05 - hydraulic ameliorations. Rivne State Technical University, Rivne, 1999.

The thesis is devoted to the problems of designing closed irrigation nets (CIN) with air chambers (AC). In the thesis a new combined mathematical model of transition processes in pipelines with AC is developed which takes into account an elastic capacity of the pipeline. Due to mathematical modelling the schedules of criterial dependences (diagrams) are obtained and graph and analytical AC parameters optimization method is developed. Both mathematical modelling and the experimental research of single and group AC work have confirmed efficiency of AC use with a differential resistance of the pipeline adjustment unit.

The technique of AC parameter optimization during their group work in CIN at minimal indicated costs is developed depending the pipeline reliability parameter. The devices for AC air supply are developed. The computer program of AC transition pipelines with is composed.

Key words: reliability, pipeline, closed irrigation net, improvement, air chamber, transitional process, water hammer, factors of hydraulic resistance, optimization.

Размещено на Allbest.ru

...