Регулятори секторного типу

Для регулювання рівня води у відкритих руслах найбільше широко застосовують регулятори секторного типу, регулюючим органом яких є герметичний сектор зі змінною масою.

Регулятор, запропонований Е.Е. Маковським (рис. 7.5), складається із секторного затвора 3, герметичної камери 1, яка знаходиться в середині затвора, поплавка 7, мембранного перетворювача 6, мембранного клапана 8 і гнучкої трубки 4. Мембранний перетворювач 6, з’єднувальна трубка 4 і мембранний клапан 8 представляють собою герметичну систему, заповнену водою під невеликим тиском. При переміщені поплавка 7 через важіль l₁ переміщується мембрана перетворювача 6, об’єм води в ній змінюється, що під дією атмосферного тиску призводить до такої ж зміни об’єму води в камері мембранного клапана 8. При однакових за об’ємом камерах перетворювача і мембранного клапана переміщення клапана 8 буде пропорційним переміщенню поплавка 7. Отже, переміщення поплавка буде зумовлювати через вказану систему відповідну зміну прохідного перерізу отвору 9 і витікання води із камери. Сектор 3 з'єднується з верхнім б'єфом через отвір 2, а з нижнім – через отвір 9, що перекривається клапаном 8. Камера 1

Рис. 7.5. Схема системи автоматичного регулювання рівня води у нижньому б'єфі з регулятором секторного типу.

призначена для збільшення піднімальної сили, що діє на затвор. Задаючим пристроєм є поплавок 6, закріплений на штоці 5.

Процес стабілізації рівня води у нижньому б'єфі протікає у такий спосіб. Якщо рівень у нижньому б'єфі знижується, то поплавок 7 разом з мембраною перетворювача 6 опускається і мембрана клапана 8 піднімається вверх, збільшуючи прохідний перетин отвору 9. У результаті цього із сектора витікає води більше, ніж надходить. Сектор стає легшим і піднімається, збільшуючи приплив води в нижній б'єф. При збільшенні припливу рівень підвищується, наближаючись до заданого значення.

При підвищенні рівня в нижньому б'єфі поплавок переміщується вверх, витрата води із сектора через отвір 9 зменшується і затвор опускається. Процес продовжується доти, поки приплив і витікання води із затвора не стануть рівними.

Вихідними даними для статичного розрахунку регулятора є розрахункова витрата Q_p, максимальний Н_в.макс і мінімальний Н_в.мін рівні води у верхньому б'єфі, максимальний Н_в.макс і мінімальний Н_в.мін рівні води в нижньому б'єфі, ширина водозливу а і точність стабілізації рівня ±ΔН.

Рис. 7.6. Розрахункові схеми регулятора: а - при відкритті регулятора і Н_н = 0; б - при відкритті регулятора і мінімальних рівнях у верхньому і нижньому б'єфах.

На підставі цих даних вибирають висоту розташування осі регулятора Н₀, висоту порога b і радіус сектора R. Інші параметри регулятора визначають на основі аналізу сил, що діють на сектор затвора в критичних режимах роботи, використовуючи відомі методики Е. Е. Маковського, Маті Біла, П. І. Коваленко.

У закритому стані (рис. 7.6, а) на сектор діють результуюча сила гідростатичного тиску F_г, зумовлена різницею рівнів води у верхньому б'єфі й у середині сектора, виштовхуюча сила герметичної камери F_к, маса затвора m_з і маса води m_в, що знаходиться у середині сектора. Силою тертя в підшипниках, звичайно, нехтують, а бічні тертя в конструкції притульного типу відсутні.

Максимальну висоту випускного отвору регулятора визначають за формулою

, /7.3/

де μ — коефіцієнт витрати регулятора.

Максимальний кут відкриття регулятора α_макс знаходять з рівняння

, /7.4/

де α₀ - кут нахилу напірної грані сектора у закритому стані затвора.

Щоб момент від ваги затвора при α_макс був найбільшим, повинна виконуватись умова

, /7.5/

де β_ц.т - кут центра ваги затвора, який обчислюють за відомими формулами.

Оскільки приймають , то кут сектора

. /7.6/

Кут нахилу напірної грані α₀ і секторний кут герметичної камери γ можна визначити відповідно з умов відкриття регулятора при Н_в.мін і Н_н=0 та при Н_в.мін і Н_н=Н_н.мін.

При Н_н=0, F_к=0 і m_в=0 (рис. 7.6, а) умова відкриття регулятора приймає вид

, /7.7/

де F_г1 - сила гідростатигного тиску, чисельно рівна площі трикутника АВС; l₁ - віддаль від осі обертання до напрямку сили F_г1; l₃ - віддаль від осі обертання до центра ваги затвора; k₃=1,15 - коефіцієнт запасу.

Підставивши в рівняння /7.7/ і , де , одержують

. /7.8/

Із рівняння /7.7/ методом підбору можна знайти кут α₀. При Н_н=Н_н.мін, (рис. 7.6, б) регулятор відкривається, якщо виконується рівність.

, /7.9/

де - момент сили тиску,який зумовлений різницею рівнів води у верхньому б'єфі й усередині сектора; ,С_н=Н₀ -Н_н.мін; F_к – виштовхувальна сила, чисельно рівна масі води в об’ємі герметичної камери; l_к - віддаль від осі обертання до центра ваги фігури ABCD; γ_ц.т - кут центра ваги фігури АВСD.

З рівняння /7.9/ знаходять кут γ_ц.т. Секторний кут герметичної камери приймають γ=2 γ_ц.т.

Щоб при Н_н.мін герметична камера знаходилася під водою, висоту її передньої грані обчислюють за формулою

. /7.10/

Кут нахилу площини камери до напірної грані регулятора приймають .

При зміні рівня води у нижньому б'єфі кутове переміщення затвора буде описуватись рівнянням

, /7.11/

де - момент інерції затвора; М₃ - момент від ваги затвора; М_в -момент від ваги води усередині затвора; М_г - момент сили гідростатичного тиску води; М_д - момент сили гідродинамічного тиску води; М_к - момент виштовхувальної сили герметичної камери.

Усі моменти залежать від кута відкриття α, a М_в ще і від маси води, що знаходиться в затворі. Тому представити рівняння /7.11/ в аналітичній формі не представляється можливим. У зв'язку з цим швидкодію регулятора приблизно оцінюють за часом заповнення об’єму сектора через впускний отвір діаметром d₁. Час заповнення обчислюють за формулою

/7.12/

де μ₁ - коефіцієнт витрати отвору; z - напір над вхідним отвором при Н_в.макс.

Щоб при відкритому мембранному клапані час наповнення сектора і час витікання води з нього були однаковими, діаметр випускного отвору

/7.13/

де μ₂ - коефіцієнт витрати випускного отвору; z_κ - напір над вихідним отвором.

Для підтримки рівня води в нижньому б'єфі з похибкою ±ΔΗ сила, що діє на мембрану зі сторони поплавка,

/7.14/

і сила тиску рідини в сполучній трубці на мембрану

/7.15/

повинні знаходитися у співвідношенні

/7.16/

де d_n - діаметр поплавка; d_м - діаметр мембрани; z_м - максимальний перепад між мембранними клапанами; l₁ i l₂ — довжини пліч важеля; k_g - коефіцієнт надійності, який, за даними П. І. Коваленка, приймають k_g=l,l. З рівняння /7.16/ знаходять діаметр поплавка:

. /7.17/

Для повного перекриття випускного отвору діаметр мембрани приймають d_м=1,4d₂.

Крім розглянутого регулятора рівня нижнього б'єфа, широко застосовуються також регулятори рівня верхнього б'єфа і змішаного типу, що відрізняються лише кількістю і місцем розташування вимірювальних пристроїв. Конструкція сектора залишається без зміни.