книги из ГПНТБ / Быков В.Д. Гидрометрия учебник

Изобретение гидрометрической вертушки во многих литератур­ ных источниках приписывается гамбургскому гидротехнику Р. Вольтману, издавшему в 1790 г. свой труд «Теория и употреб­ ление гидрометрических вертушек»1 . Однако еще задолго до Вольтмана применялись приборы для измерения скоростей тече­ ния, основанные на том же принципе, что и вертушка. Н. Д. Тяпкни отмечает, что первый изобретатель вертушки неизвестен, а Вольтман лишь ввел в старой вертушке «изменения, выдвинув­ шие этот прибор па вид» [59].

Прототипом гидрометрической вертушки можно считать так на­ зываемое колесо Леопольда, о применении которого для измерения

регистрируемому количеством витков нити, наматываемой на ось колеса при его вращении.

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

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

По направлению оси вращения различают вертушки с горизон­ тальной и с вертикальной осью. К первым относятся, например, наиболее распространенные у нас вертушки типа Ж-3, ГР-21 и др., ко вторым — вертушки типа Прайса.

По устройству лопастного винта или ротора вертушки подраз­ деляются на две группы: с лопастным винтом, образованным вин­ товой поверхностью, и с ротором, состоящим из конусообразных чашек; некоторые типы морских вертушек, например ВМ-М, снаб­ жаются ротором в виде крылатки. Большинство современных реч­ ных вертушек имеют лопастные винты, образованные винтовой по­ верхностью с параболической образующей, — вертушки Ж-3, 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, о чем более подробно сказано ниже.

По устройству счетно-контактного механизма различают вер­ тушки с механическим счетчиком числа оборотов и с электрической сигнализацией. Большинство современных вертушек имеет электри­ ческую сигнализацию, преимуществом которой является то, что вертушку не надо вынимать из воды для отсчетов. Примером

1 Theorie und Gebrauch des Hydrometrischen Flugels oder eine zuverlassige Methode die Qeschwindigkeit der Winde und stromender Gewasser zu beobachten von Reinhard. Woltnian. Hamburg, 1790.

109

Ходовая часть является главным узлом вертушки и состоит из оси, лопастного винта, контактного механизма, находящегося во внутренней камере, заполняемой маслом. Замыкание контактов происходит при вращении лопастного винта через определенное

входящий в комплект прибора. Ходовая часть укрепляется в кор­ пусе в собранном виде с помощью стопорного винта. В задней ча­ сти корпуса укрепляется стабилизатор направления. На корпусе имеются две клеммы для проводов сигнальной цепи.

Стабилизатор служит для установки прибора в потоке по на­ правлению течения, лопастным винтом навстречу набегающему потоку. Стабилизатор необходим в основном при работе с тросом.

Сигнальное устройство служит для передачи сигналов при за­ мыкании контактов вертушки. В современных вертушках приме­ няется звуковая сигнализация посредством звонка, к которому подводятся провода от клемм на корпусе вертушки. В некоторых типах вертушек применяются счетно-импульсные механизмы, на­ пример у вертушки ГР-11. У вертушек с механическим счетчиком, например у морской вертушки ВМ-М, определение числа оборотов ротора производится визуальным отсчетом по шкалам счетчика. Показания вертушек с электрической сигнализацией можно запи­ сывать на бумажной ленте с помощью хронографа, а при надоб­ ности— на ленте шлейфового осциллографа; последнее иногда бы­ вает нужно при проведении научных исследований.

В комплект вертушки входят принадлежности для ее опуска­ ния в воду и обеспечения сигнализации, запасные части, отвертки,

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

u = krii, (ИЛ)

где и — скорость движения воды; п —• число оборотов лопастного винта в секунду; kr — геометрический шаг лопастного винта, рав­ ный шагу винтовой линии, совпадающей с внешней кромкой ло­ пасти; величина геометрического шага лопастного винта определя­ ется параметрами винтовой поверхности, образующей данный винт.

111

Гидравлические сопротивления вызываются трением воды о по­ верхность лопастного винта, вихреобразоваиием у острых краев лопасти, а также нарушением скоростного поля потока и связан­ ным с ним подпором от вводимого в воду прибора.

Механические сопротивления вызываются трением в механизме

где а, Ь, с — параметры. Уравнение (11.2) вполне удовлетворительно отражает зависи­

мость между скоростью и числом оборотов лопастного винта в ре­ альных условиях работы вертушки. Графически это уравнение вы­ ражается гиперболой. При n = 0 и = \ с = «о — отрезок иа осп орди­ нат (рис. 11.2), соответствующий значению начальной скорости вертушки.

Н а ч а л ь н о й с к о р о с т ь ю будем называть такую скорость, при которой силовое воздействие потока на лопастный винт равно величине сопротивлений, при этом лопастный винт начинает вра­ щаться неравномерно; при дальнейшем увеличении скорости вра­

112

Здесь k имеет другое значение, чем в формуле (11.1), так как по­ следнее уравнение отражает работу вертушки в реальных усло­

так как в связи с наличием сопротивлений лопастный винт в вод­

Величина гидравлического шага определяется опытным путем при тарировании вертушек.

предела, различного для разных вертушек. Затем линейность за­ висимости нарушается: при некоторой скорости кривая отклоня­ ется вверх, как это показано на рис. 11.2. Скорость течения, соот­ ветствующую точке, в которой происходит поворот кривой вверх,

скорости зависит также от глубины погружения вертушки, что было установлено при испытаниях вертушки с чашечным ротором и вертикальной осью в большом буксировочном канале (по иссле­ дованиям А. В. Васильева). Следует иметь в виду, что зависимость u = f(n) при и>ивк изучена еще недостаточно. Ориентировочно величину верхней критической скорости можно принимать (по дан­

ный винт № 1). Причинами отклонения кривой u = f(n) от прямо­ линейного направления при больших скоростях течения считают возникновение кавитации и интенсивное вихреобразование у ро­ тора вертушки.

Нижним пределом применения вертушек следует считать ско­ рость, большую, чем начальная скорость. При малых скоростях погрешности измерения могут достигать значительных величин пз-за относительно большого влияния механических и гидравличе­ ских сопротивлений. По рекомендации ГТИ нижним пределом при­ менения гидрометрических вертушек можно считать скорость, рав­ ную удвоенной величине начальной скорости для данной вертушки.

Как уже указывалось, лопастный винт начинает вращаться,

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

Если скорость течения меньше начальной скорости вертушки, то относительное скольжение равно 100%, т. е. лопастный винт не вращается. При достижении критического значения скорости по­ тока относительное скольжение лопастного винта становится по­ стоянной величиной, различной для разных вертушек (рис. 11.3). По исследованиям П. Н. Бурцева, для вертушки Ж-3 относитель­ ное скольжение винта становится постоянным при скорости потока около 0,6 м/с и составляет 1,5—2,0%, для вертушки ГР-21—со­ ответственно 0,5 м/с и 7—8%. Данные рис. 11.3 относятся к слу­ чаю, когда ось вертушки параллельна направлению скорости. При непараллельности их относительное скольжение увеличивается при

114

возрастании угла отклонения. Так, по данным Бурцева, при угле отклонения 40° относительное скольжение винта может достигать 30—35%. Увеличение относительного скольжения винта вызыва­ ется главным образом радиальным давлением потока.

И н е р ц и о н н о с т ь ю в е р т у ш к и 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. По­ этому для регистрации пульсации скорости течения необходимо применять вертушки, обладающие малой инерционностью.

Лопастные винты существующих вертушек обладают различной инерционностью; величина последней зависит от момента инерции винта. Моменты инерции применяемых в настоящее время вер­ тушек имеют следующие значения (в г - с м - с 2 ) : Ж-3 0,4—0,7; ГР-21 и ГР-21М 0,8—1,0; ГР-55 0,14—0,16; ГР-11 0,15—0,20. Как видно из приведенных данных, наименьшим моментом инерции об­ ладают лопастные винты вертушек ГР-55 и ГР-11. Они являются малоинерционными, вследствие чего их наиболее целесообразно применять в потоках с большой турбулентностью и при необходи­ мости регистрации пульсации скорости. В последнем случае лучше применять вертушку ГР-11 с контактом через один оборот и запи­ сывать ее показания на хронографе.

Лопастные впиты вертушек ГР-21 и ГР-21М обладают относи­ тельно большой инерционностью, вследствие чего сглаживают пуль­ сации скорости, поэтому применение их для регистрации пульсации скорости неэффективно. Зато применение их целесообразно в по­

пендикулярна направлению створа, так как расход воды опре­

в водосбросных отверстиях гидротехнических сооружений. Кроме

Для определения компонентных свойств вертушек проводят специальные испытания их в тарировочных каналах. Для оценки компонентное™ применяется показатель А/г %

оборотов лопастного винта в секунду при тон же скорости, но при

Как видно из приведенных данных, лучшими компонентными свой­ ствами обладают вертушки ГР-21, ГР-21М, ГР-55 и ГР-11, что делает их наиболее пригодными для измерений скоростей течения в косоструйных потоках.

Компонентные свойства вертушек с чашечным ротором и вер­ тикальной осью вращения отличаются от свойств рассмотренных выше вертушек с горизонтальной осью вращения. Так, например, для вертушки типа Прайса при отклонении ее влево от направле­ ния скорости линия зависимости ^ ~ = f(a) проходит ниже линии

косинуса (занижение скорости), а при отклонении вправо — выше линии косинуса (завышение скорости); это объясняется различ­ ными условиями обтекания потоком чашек ротора при его вра­ щении в вилке, на которой укреплена ось вращения.

Описание основных типов гидрометрических вертушек. Выше уже указывалось, что общее количество различных типов и конструкций гидрометрических вертушек весьма велико. Здесь

117

остановимся только на основных типах вертушек, применяемых в настоящее время в нашей стране, и дадим краткое описание не­ которых вертушек, выпускаемых за рубежом, конструкции которых представляют интерес.

Наиболее распространенной на гидрологической сети в послед­

в которую вставляется ось собранной ходовой части; ось закре­ пляется стопорным винтом. На корпусе имеются две клеммы для подключения проводов сигнальной цепи; одна из клемм изолиро­ вана от корпуса, она соединена с отрицательным полюсом бата-

1 Индекс «ГР» означает: гидрологический речной; им обозначаются все реч­ ные приборы (морские приборы обозначаются индексом «ГМ»).

118