книги из ГПНТБ / Орлова, В. В. Гидрометрия учебник

Разборка и чистка вертушки должны производиться человеком, хорошо знающим ее устройство. После измерения расхода воды вертушку нужно обтереть сухой тряпкой и убрать в ящик.

В помещении вертушка разбирается, чистится и промывается бензином, после чего все стальные и железные части насухо выти­ раются и обсушиваются. После просушки все детали и части про­ тираются тряпкой, слегка смоченной трансформаторным маслом.

Чистить и обтирать каждую деталь нужно очень осторожно, чтобы не погнуть и не испортить ее. Внутренние поверхности дета­ лей прочищаются волосяным ершиком. Разборку, чистку и сборку вертушки нужно производить над куском белой клеенки с загну­ тыми в виде валика краями. По окончании чистки вертушки соби­ рают ее ходовую часть, при этом в полость лопастного винта на­ ливают трансформаторное масло, и все детали укладываются в соответствующие гнезда ящика.

При работе с вертушкой в сильные морозы, если она обледе­ нела, ни в коем случае нельзя скалывать с нее лед или силой про­ ворачивать лопастный винт. Чтобы обледенение исчезло, вертушку нужно погрузить в теплую воду или подержать некоторое время в реке.

Соответствующего ухода требует и вспомогательное оборудова­ ние вертушки. Штанги, лебедки, грузы после работы высушиваются и протираются тряпкой. Электрические провода после их употреб­ ления нужно отключить от элементов, высушить и аккуратно (без петель) намотать на катушку.

§42. Приборы для определения направления течения

Вкосоструйных потоках и в устьевых участках рек, испыты­ вающих влияние морских приливов и отливов, кроме скорости,

важно определять и направление течения; это необходимо для бо­ лее точного вычисления расхода воды. В ряде случаев изучение направления течения производится со специальными целями, на­ пример при исследовании русловых процессов, для решения вопро­ сов о наивыгоднейшем расположении в реке гидротехнических сооружений, для улучшения условий судоходства и лесосплава.

В зависимости от поставленных задач направление течения мо­ жет определяться в поверхностном слое и на различных глубинах, в отдельных створах и на участках различной протяженности.

Для определения направления течения в поверхностном слое применяются поверхностные поплавки, а в отдельных точках жи­ вого сечения потока — бифилярный подвес, морская вертушка, из­ мерители и самописцы течений.

Ниже приводится описание приборов, наиболее распространен­ ных на речных гидрологических станциях (бифилярный подвес, морская вертушка). Измерители и самописцы течений применя­ ются преимущественно на озерах и водохранилищах, поэтому уст­ ройство их и работа с ними изложены в разделе II.

m

Определение направления течений поверхностными поплавками аналогично выполнению работ, связанных с устройством гидромет­ рического створа (см. § 49).

Г и д р о м е т р и ч е с к и й б и ф и л я р н ы п п о д в е с (рис. 64) применяется обычно вместе с вертушкой для одновременного из­ мерения скорости н направления течения.

п

Рис. 64. Бифилярный подвес.

Бифилярный подвес состоит из трех основных узлов: оси 1 с ук­ репленным на ней в одной плоскости указателем 2 и визирным устройством 3\ верхней надводной фермы 4, свободно вращаю­ щейся вокруг вертикальной оси 1\ нижней подводной фермы 5, жестко скрепленной с грузом 6 обтекаемой формы весом 50 кг,

имеющим хвостовое оперение 7. В передней части нижней фермы укреплен отрезок штанги 8 для установки вертушки 9.

120

Корпус 1 вертушки представляет собой литую раму, надетую

на вертикальную ось, вокруг которой она может свободно вра­ щаться при помощи двух шарикоподшипников. В передней части рама имеет откидную планку, позволяющую менять лопастный винт 2 и снимать его после работы.

Лопастный винт состоит из горизонтально расположенной оси со втулкой в ее передней части и спид с лопастями. Вертушка имеет два сменных лопастных винта. Один из них, изготовленный из органического стекла, имеет шесть лопастей, а второй, металли­ ческий, имеет четыре лопасти. Облегченный винт (из органического стекла), имеющий начальную скорость 0,02 м/с, служит для изме­ рения малых скоростей течения. Металлический винт, имеющий начальную скорость 0,045 м/с, применяется для измерения значи­ тельных скоростей течения. На заднем конце оси имеется червяч­ ная нарезка, с которой сцепляется зубчатое колесо счетчика оборо­ тов 3. Цапфы оси вращаются во втулках из искусственного камня

(лейкосапфира). Для защиты лопастного винта от механического повреждения служит защитное кольцо 4. Чтобы лопастный винт не вращался от ветра, в верхней части кольца укреплен стопор 5,

который перед спуском вертушки в поток выключается.

Счетчик оборотов представляет собой прямоугольную коробку, внутри которой находятся насаженные на оси три шестерни. Верх­ няя шестерня, с которой сцепляется червячная нарезка оси лопа­ стного винта, выступает наружу через прорезь в стейке счетчика. На лицевой стороне коробки расположены три циферблата и три стрелки, указывающие десятки, сотни и тысячи оборотов (единицы оборотов отсчитываются на глаз) лопастного винта. Счетчик, по­ мимо указания числа оборотов лопастного винта, периодически подает в компасную коробку 6 бронзовые шарики, которые пред­

варительно насыпаются в количестве до 22 штук в трубку-магазин, расположенную над коробкой счетчика. Через ЗЗ'/з оборота лопаст­ ного винта из трубки-магазина выпадает шарик, который по на­ правляющей трубке падает в отверстие компасной коробки. Ша­ рики вводятся в трубку-магазин с помощью специального приспо­ собления — брала, входящего в комплект вертушки.

Компасная коробка с механизмом подачи шариков служит для определения направления течения. Коробка разделена на 36 секто­ ров, пронумерованных от 0 до 35; угол каждого сектора равен 10°. В дне компасной коробки установлена игла и на ее острие наса­ живается магнитная стрелка, северный конец которой имеет про­ дольный желобок. Магнитная стрелка устанавливается по магнит­ ному меридиану, а вертушка ориентируется с помощью руля 7 по направлению течения. Шарики из счетчика оборотов падают в от­ верстие крышки компасной коробки и по желобу стрелки скаты­ ваются в тот сектор, который в данный момент расположен под северным концом стрелки. Так как направление магнитной стрелки всегда постоянное, а положение вертушки вместе с компасной ко­ робкой меняется в зависимости от направления течения, то угол между магнитной стрелкой и нулевым сектором все время меня­

122

ется. Поэтому сектор, в который выпали шарики, покажет азимут направления течения.

Переключающий механизм вертушки служит для включения и выключения червячной шестерни счетчика оборотов из зацепления с червяком горизонтальной оси лопастного винта. Включение и выключение производятся последовательными ударами посыльного груза по муфте 8.

Переключающий механизм (см. рис. 65) состоит из муфты 8, барабана 9 с двумя зубцами и вертикального стержня 10. Барабан

связан со счетчиком оборотов посредством пальца, входящего в прорезь пластинки, укрепленной на коробке счетчика. Внутри барабана помещена спиральная пружина. Перед опусканием вер­ тушки на требуемую глубину при помощи рычага взводят пружину барабана; шестерня счетчика оборотов при этом выходит из зацеп­ ления с червяком лопастного винта. При ударе первого посыльного груза барабан соскакивает на один зубец, шестерня счетчика со­ единяется с горизонтальной осью и счетный механизм включается. При ударе второго посыльного груза барабан соскакивает на вто­ рой зубец и счетчик оборотов выключается. Разность отсчетов по циферблатам счетчика покажет число оборотов лопастного винта за время между ударами посыльных грузов.

Руль вертушки 7 состоит из вертикальной и наклонных пластин, соединенных между собой винтами. Наклонные пластины делаются съемными, что дает возможность во время сильного волнения уста­ навливать пластины с уменьшенной площадью. Руль крепится к раме вертушки с помощью винта 11 и двух штифтов.

Наличие механического счетчика оборотов у морской вертушки создает неудобство в работе, так как прибор нужно вынимать из воды каждый раз после измерения в данной точке. Кроме того, точность определения направления течения до 10° не всегда яв­ ляется достаточной, особенно при работе на реках.

§ 43. Тарирование гидрометрических вертушек

Тарирование вертушек — это специальное испытание, при кото­ ром устанавливается зависимость между скоростью течения и чис­ лом оборотов лопастного винта в одну секунду. Зависимость эта обычно дается в виде графика, а для практического пользования составляется тарировочная таблица.

Вертушки тарируются непосредственно после их изготовления, но вследствие износа деталей или механического повреждения установленная зависимость может измениться, поэтому тарирова­ ние периодически повторяется. При нормальных условиях эксплуа­ тации вертушки с масляной камерой повторно тарируются через два года, а без масляной камеры — через один год. При повреж­ дении (погнулась ось или лопастный винт, коррозия подшипников и т. д.) вертушка подлежит немедленному ремонту и повторному внеочередному тарированию.

123

количества одновременно тарируемых вертушек. Для обеспечения необходимой точности тарирования при скорости не более 3 м/с канал должен иметь длину не менее 70 м, при этом, если тариру­ ется за один раз одна вертушка, ширина канала должна быть не менее 1,5 м, а глубина — не менее 1,3 м. Для одновременного та­ рирования нескольких вертушек ширина и глубина канала дол­ жны быть больше, так как близость стенок и недостаточное рас­ стояние между вертушками вносят погрешности в результаты тарирования.

Тарирование вертушки производится путем равномерного пере­ движения ее вдоль канала с различной скоростью — от начальной до 2,5—3,0 м/с; всего производится 15—20 заездов. Указанный диа­ пазон скоростей тарирования вполне достаточен для вертушек, применяемых на реках и каналах, за исключением бурных пото­ ков. При необходимости измерения скоростей свыше 3 м/с неком­ понентные вертушки тарируются в диапазоне рабочих скоростей.

Рис. 67. Образец записи на ленте хронографа.

Вертушки, имеющие компонентность в пределах 6%, могут экс­ плуатироваться на более высоких скоростях — до 5 м/с.

Для определения начальной скорости вертушки тележка дви­ жется с такой наименьшей скоростью, при которой лопастный винт вращается с перебоями. Определив путь L, пройденный тележкой, и время ее передвижения t, получают начальную скорость v0 в м/с:

При тарировании на других скоростях для каждого заезда на ленте хронографа регистрируется число оборотов лопастного винта вертушки N, длина пройденного пути L и время t (рис. 67).

При отсутствии хронографа тарирование можно производить с двумя секундомерами; по одному определяется время прохожде­ ния тележкой пути L, а по другому — время поступления сигналов.

Для вертушек с компонентным винтом в процессе тарирования определяется погрешность измерения скорости в косоструйных по­ токах, характеризующая компонентность прибора. Для этого вер­ тушка укрепляется на штанге под углом 40° к продольной оси ка­ нала; в таком положении тележке с вертушкой сообщается движение со скоростью в пределах прямолинейной части графика

125

v = f(ti). При этом регистрируется путь, пройденный тележкой,

время и число оборотов лопастного винта. При обработке вычис­ ляется скорость передвижения тележки v и число оборотов лопа­ стного винта в одну секунду пл .

Обработка результатов тарирования производится следующим образом. Для каждого заезда вычисляется:

1) скорость передвижения тележки и в м/с путем деления прой­ денного пути L на время t

L

2) число оборотов лопастного винта вертушки в одну.секунду

о

Число оборотов в секунду п

Рис. 68. Тарировочная кривая вертушки.

п (об/с) путем деления общего числа оборотов лопастного винта N, полученного на всем пройденном пути, на время t

По вычисленным парным значениям v и п строится тарировоч-

ная кривая вертушки, т. е. график зависимости числа оборотов лопастного винта от скорости. По горизонтальной оси графика от­ кладывается число оборотов в одну секунду п, а повертикаль­ ной— скорость и (рис. 68). Масштабы для v и п назначаются та­

кими, чтобы тарировочная кривая расположилась под углом 30— 45° к горизонтальной оси. Тарировочная кривая в нижней части имеет криволинейное очертание, а для скоростей, больших 0,20— O, 40 м/с, переходит в прямую линию. Кривизна в нижней части кривой обусловлена влиянием гидравлических и механических со­ противлений. Гидравлические сопротивления вызываются трением воды о лопасти, образованием вихревых движений и подпора от вертушки. Механические сопротивления возникают из-за трения

126

в подшипниках и контактном механизме вертушки. Так как лопаст­ ный винт начинает вращаться с момента, когда силовое воздей­ ствие потока превысит величину сопротивлений, то тарировочная кривая не проходит через начало координат, а отсекает на верти­ кальной оси отрезок, равный начальной скорости вертушки.

Криволинейный участок тарировочной кривой строится в укруп­ ненном масштабе (в пять раз крупнее), чтобы с него можно было более точно снять значения малых скоростей. Прямолинейный уча­ сток тарировочной кривой может быть продлен вверх путем экстра­ поляции до значения критической скорости данной вертушки. Практически для вертушек, имеющих компонентность в пределах 6 %, экстраполировать кривую можно до скорости 5 м/с.

Зависимость между скоростью и числом оборотов лопастного винта в одну секунду для тарировочной кривой может быть пред­ ставлена уравнением вида

его формы, численно равный тангенсу угла наклона прямой линии к горизонтальной оси.

Приведенное уравнение выражает собой прямую линию, прохо­ дящую через начало координат. Фактически зависимость числа оборотов лопастного винта от скорости более сложная. Если при­ нять, что тарировочная кривая на всем протяжении представлена прямой линией, отсекающей от вертикальной оси отрезок v0, рав­

Формулы (24) и (25) дают достаточно точные значения скоро­ стей для прямолинейного участка тарировочной кривой при числе оборотов выше определенного предела. Для криволинейной части тарировочного графика более точным выражением тарировочной зависимости является уравнение

Имея тарировочную кривую или уравнение, можно для любого значения п определить величину скорости. Практически более

удобно для определения скорости пользоваться не кривой или уравнением, а тарировочной таблицей, содержащей заранее вычис­ ленные значения скоростей через 0,01 об/с. Тарировочная таблица составляется по форме, приведенной в табл. 4. Заполнение таб­ лицы производится следующим образом.

Старировочной кривой снимается значение начальной скорости

ивыписывается на пересечении первой строки и первого столбца

127

таблицы (число оборотов 0,00). Криволинейный участоктарировочной кривой, построенный в укрупненном масштабе, разбивается на такое число отрезков, чтобы их можно было принять за прямые линии. На границах этих отрезков снимают значения скоростей и вписывают их в соответствующие графы таблицы, а промежуточ­ ные значения вычисляются по интерполяции через одну сотую обо­ рота. Значения скоростей на прямолинейном участке тарировочной кривой получают непосредственно с графика или путем линейной интерполяции между некоторыми опорными точками.

Пользоваться тарировочной таблицей весьма просто. Например, если число оборотов лопастного винта в одну секунду п = 0,28, то скорость течения v —0,064 м/с.

При тарировании вертушек с горизонтальной осью для них до­ полнительно определяется компонентность. Для этого по скорости передвижения тележки с тарировочного графика снимается значе­

Например, компонентность равна 4%, это означает, что при ко­ сине струй до 40° ошибка измерения скорости не превышает 4%.

Т а р и р о в а н и е в к р у г о в о м б а с с е й н е . Тарирование в круговом бассейне производится способом эталонирования; дви­ жение вертушек при этом происходит по кругу.

Круговой тарировочный бассейн может быть в виде круглой чаши, сплошь заполненной водой, или может иметь кольцевую форму. Кольцевой бассейн имеет то преимущество, что движение

128