НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА

ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ

ПАШКЕВИЧ ОЛЕНА ІВАНІВНА

УДК 631.674.5: 532.54

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ ЗАСОБІВ ДОЩУВАННЯ, РОЗПОДІЛЬЧИХ І ТРАНЗИТНИХ ТРУБОПРОВОДІВ ДОЩУВАЛЬНИХ

МАШИН ФРОНТАЛЬНОЇ ДІЇ

06.01.02 – сільськогосподарські меліорації

(технічні науки)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Рівне – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства

та природокористування (НУВГП) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Гринь Юрій Іванович,

Інститут гідротехніки і меліорації

Української аграрної академії наук, м.Київ,

завідувач відділом поливної техніки,

заслужений діяч науки і техніки України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Хоружий Петро Данилович,

Інститут гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук, м.Київ,

завідувач відділом сільськогосподарськогго водопостачання і каналізації;

кандидат технічних наук, доцент Герасімов Євген Генріхович,

Національний університет водного господарства та природокористування,

кафедра експлуатації гідромеліоративних систем

Провідна установа – Інститут гідромеханіки Національної академії наук України, м.Київ

Захист відбудеться “_8_”_червня__2006 р. о _1430_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 при Національному університеті водного господарства та природокористування за адресою: 33000, м.Рівне, вул.Соборна,11

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці НУВГП за адресою:

33000, м.Рівне, вул.Приходька, 75

Автореферат розісланий “_7_” __травня___ 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент Востріков В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Забезпечення ефективного функціонування існуючих зрошувальних систем, їх реконструкція та створення нових систем – це комплекс наукових і технічних задач, які є загальнодержавними, що підтверджується Указом Президента України від 23.06.1998р. № 670/98 “Про заходи щодо державної підтримки водогосподарського меліоративного комплексу”. На основі цього указу прийнята галузева програма – “Комплексна програма розвитку меліорації земель і поліпшення екологічного стану зрошуваних та осушених угідь у 2001-2005 роках і прогнозу до 2010 року та Закон України про “Загальнодержавну підтримку водного господарства”.

Реформування сільського господарства в Україні призвело до збільшення землекористувачів зрошуваних земель, зменшення площ зрошення, що спричинило зменшення попиту на широкозахватну дощувальну техніку і появу попиту на дощувальну техніку для зрошення невеликих площ.

Нинішня поливна техніка в Україні – це, переважно, широкозахватні дощувальні машини “Фрегат”, “Дніпро”, ДДА-100МА, які ефективні при використанні на модулях зрошення площею 800-1200га. Таку поливну техніку не можуть використати окремі фермерські господарства з середньою площею зрошувальних земель 66 га та сільськогосподарські виробники з середньою площею зрошення 5 га. Станом на 2005 рік для зрошуваних земель України потрібно 24300 одиниць зрошувальної техніки.

Сьогодні широке будівництво нових зрошувальних систем не передбачається, проте загальна потреба дощувальної техніки значно перевищує її наявність. Тому гостро стоїть питання удосконалення дощувальної техніки та створення нових типів вітчизняних мобільних дощувальних машин, які здатні працювати в комплексі з широкозахватною дощувальною технікою на невеликих ділянках зрошуваної мережі або частково її модернізованої.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась за державними науковими програмами Української академії аграрних наук (УААН) та галузевими програмами Держводгоспу України 2001-2004 рр., у 2001-2005 рр. – науково-технічною програмою УААН “Виробництво продукції на меліоративних землях. Розробити ресурсозберігаючі, екологічно безпечні технології і технічні засоби поливу для комплексної реконструкції та модернізації зрошувальних систем”, державна реєстрація теми № 010111U004615 та у рамках науково-дослідних робіт кафедри гідравліки Національного університету водного господарства та природокористування “Удосконалення методів гідравлічних розрахунків гідротехнічних споруд і впровадження результатів розробок у підготовку науково-педагогічних кадрів і навчальний процес” (2002-2004рр.), в яких здобувач приймала участь як виконавець.

Мета роботи. Метою роботи є розробка методів і засобів економії енергетичних, водних і матеріальних ресурсів при використанні дощувальної техніки в умовах ведення сільськогосподарського виробництва господарствами різних категорій власників і землекористувачів.

Задачі досліджень. Досягнення поставленої мети здійснювалось вирішенням наступних завдань:

-

-

-

шлангобарабанних дощувальних машин на основі дослідження гідравлічних опорів та втрат

напору в цих трубопроводах;

-

насадок, що впливають на якість та рівномірність дощу;

-

Об’єкт досліджень. Об’єктом досліджень є процес подачі та розподілу води у взаємопов’язаній системі “дощувальна техніка-грунт”.

Предмет досліджень. Предметом досліджень є методи розрахунку дощувальних насадок, розподільчих і транзитних трубопроводів дощувальних машин фронтальної дії, що забезпечують економію енергетичних, водних і матеріальних ресурсів, підвищують ефективність зрошення.

Методи досліджень. При плануванні та проведенні досліджень, аналізі результатів досліджень використовували: методи гідромеханічної подібності гідравлічних явищ, методи теорії ймовірностей, методи математичної статистики. Дослідження та аналіз інтенсивності і рівномірності дощу виконували з використанням методик, пропонуємих ВДН 33-4.3-01.98 “Машини і установки дощувальні. Програми, методи випробувань і оцінок”, міжнародних стандартів “ISO 11545 : 2001, IDT. “Машини кругової дії та пересувні поливні установки, обладнані дощувальними та аерозольними насадками.- К.: Держстандарт України”.

Наукова новизна одержаних результатів:

- у розподільчих трубопроводах дощувальних машин з дискретною зміною витрат через віддалі встановлені закономірності формування гідравлічних опорів та розроблені нові аналітичні залежності для визначення втрат напору і п’єзометричних напорів у цих трубопроводах;

- розроблено новий метод розрахунку втрат напору у плавнозігнутих трубопроводах-шлангах мобільних шлангобарабанних дощувальних машин, який враховує діаметр трубопроводу, діаметр барабана-котушки, область гідравлічного опору;

- визначені границі відносної кривизни транзитних трубопроводів-шлангів, витрат води мобільних дощувальних машин, у межах яких втрати напору у цих трубопроводах збільшуються всього на 5…10 % у порівнянні з прямими трубопроводами;

- отримані нові аналітичні залежності для визначення водопропускної здатності дощувальних насадок секторної дії, які на відміну від існуючих враховують гідравлічний опір насадок залежно від їхніх геометричних і конструктивних параметрів та гідравлічний опір з’єднувальної ділянки насадки з розподільчим трубопроводом;

- розроблено новий метод вибору параметрів дощувальних насадок секторної дії, та визначення віддалей між ними на розподільчих трубопроводах дощувальних машин фронтальної дії, який враховує водовбирну швидкість грунту та інтенсивність дощу, дозволяє економити енергію, зрошувальну воду, поліпшує рівномірність дощу, підвищує ефективність зрошення.

Достовірність отриманих результатів. Достовірність результатів, що отримані, теоретично обґрунтовані, підтверджена сучасними методами планування дослідів та обробки експериментальних даних, порівнянням теоретичних і експериментальних даних, порівнянням з результатами інших авторів.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблена удосконалена методика вибору геометричних та гідравлічних параметрів дощувальних насадок секторної дії та розрахунку віддалей між ними на розподільчому трубопроводі дощувальних машин фронтальної дії, яка враховує допустиму інтенсивність дощу та оптимальний центральний кут факела дощу;

- розроблена методика проектування мобільних дощувальних установок з витратами 4-15л/с, яка включає аналітичні залежності для розрахунку розподільчих трубопроводів з дощувальними насадками секторної дії та аналітичні залежності для розрахунку плавнозігнутих водоводів-шлангів;

- результати досліджень і розробок використані у Рекомендаціях з удосконалення існуючих систем подачі води від насосної станції до дощувальної машини. Держводгосп України. К.: 2003. – 38с., та у проекті Концепції розвитку поливної техніки в Україні. // Держводгосп України. Інститут гідротехніки і меліорації УААН. – К.: - 2006, у розробці дослідного зразка шлангобарабанної дощувальної машини ШБДМ-15/80.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором зроблено наступне:

- удосконалені залежності для визначення гідравлічних опорів у розподільчих трубопроводах дощувальних машин з дискретною зміною витрат через віддалі більші 2,5м, які дозволяють підвищити точність розрахунку технічних парметрів дощувальних машин;

- удосконалені аналітичні залежності для визначення гідравлічних опорів та втрат напору в транзитних плавнозігнутих поліетиленових трубопроводів, які дозволяють зменшити затрати енергії на транспортування зрошувальної води;

- удосконалені залежності для гідравлічних розрахунків дощувальних насадок секторної дії, які поліпшують технічні характеристики дощувальних машин;

- досліджені особливості формування інтенсивності і рівномірності дощу за різними типами дощувальних насадок секторної дії;

- удосконалена методика вибору параметрів дощувальних насадок секторної дії та визначення віддалей між ними на розподільчому трубопроводі дощувальної машини, яка поліпшує рівномірність зрошення.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались на Міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні проблеми водного господарства та природокористування”, присвяченій 80-річчю Українського державного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне, 2002р.); на міжнародній науково-практичній конференції “Наукові засади сталого розвитку водного господарства та меліорації земель в Україні, присвяченій 75-річчю ІГіМ УААН (м. Київ, 2005р.); на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу УДУВГП, НУВГП (м. Рівне, 2003, 2004, 2005, 2006рр.).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 12 праць, із них 9 статей у фахових виданнях, один Деклараційний патент на винахід, один галузевий нормативний документ.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 182 сторінках машинописного тексту, який ілюструється 35 таблицями, 32 рисунками і складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел із 117 назв, додатку на 27 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Аналіз основних напрямків удосконалення та розвитку дощувальних машин в Україні” розглянуто сучасний стан зрошувальних систем України, сучасний стан поливної техніки в Україні та її потреба для сільського господарства, основні принципи і напрямки розвитку поливної техніки, сформульовані основні висновки та завдання роботи.

Реформування сільського господарства призвело до збільшення землекористувачів зрошуваних земель і зменшення площ зрошення, які в окремих господарствах не перевищують 2-20га. Широкозахватні дощувальні машини “Фрегат”, “Дніпро”, ДДА-100МА не можна використати в господарствах з такими малими площами зрошення.

Зменшення площ сільськогосподарських угідь у господарствах створило проблему технологічної цілісності типового поливного модуля площею 800-1200га, який став належати окремим групам землекористувачів з різною формою власності.

У дисертації наведені дані про площі зрошуваних земель в Україні у господарствах різних категорії власників (сільськогосподарські підприємства, фермерські господарства, ділянки сільгоспвиробників, власні підсобні господарства).

Кількість роботоспроможних дощувальних машин у 1994 році було 32 тис., а у 2003 році стало 4,685 тис.

Станом на 2004 рік для сільськогосподарських підприємств України потрібно 24300 дощувальних машин у тому числі 2430 мобільних.

Розглянувши сучасний стан зрошувальних систем та поливної техніки в Україні, зроблено наступні висновки:

1. Підвищення ефективності сільськогосподарського виробництва в Україні на зрошуваних землях неможливе без розвитку та модернізації систем і поливної техніки.

2. Модернізацію і розвиток зрошувальних систем і поливної техніки потрібно здійснювати з урахуванням охорони довкілля, економії матеріальних і енергетичних ресурсів, створення нових типових модулів зрошуваних площ.

3. Модернізацію та реконструкцію зрошуваної мережі потрібно здійснювати з урахуванням можливості її використання для сумісної роботи широкозахватних дощувальних машин та мобільних установок для зрошення невеликих ділянок площею 5-20га.

4. З метою економії матеріальних ресурсів, економії енергії, збереження земельних ресурсів для розробки нових мобільних дощувальних машин потрібно удосконалити методику розрахунку параметрів розподільчих трубопроводів нового поливного обладнання фронтальної дії, методику вибору оптимальних діаметрів та довжини водопроводів-шлангів шлангобарабанних установок.

5. Для економії зрошувальної води та підвищення ефективності зрошення потрібно удосконалити методику вибору конструкції та параметрів дощувальних насадок і методику їх розміщення на розподільчих трубопроводах дощувальних машин.

У другому розділі “Дослідження закономірностей гідравлічних опорів у трубопроводах дощувальних машин фронтальної дії” наведено аналіз існуючих залежностей для гідравлічних розрахунків розподільчих трубопроводів та плавнозігнутих транзитних трубопроводів, виконані дослідження гідравлічних опорів у трубопроводах з дискретним зменшенням витрат уздовж трубопроводів, дослідження гідравлічних опорів і втрат напору у плавнозігнутих транзитних трубопроводах шлангобарабанних дощувальних машин. На основі цих досліджень розроблені аналітичні залежності для гідравлічних розрахунків розподільчих трубопроводів дощувальних машин фронтальної дії та трубопроводів-шлангів мобільних шлангобарабанних дощувальних машин.

Аналізуючи залежності, що використовували А.М. Кравчук, І.І. Науменко, О.О. Федорець та інші, для гідравлічних розрахунків розподільчих трубопроводів та технологічні схеми розміщення дощувальних насадок на розподільчих трубопроводах дощувальних машин, ми дійшли висновку, що при дискретному зменшенні витрат уздовж трубопроводів через віддалі для дослідження закономірностей формування гідравлічних опорів доцільно використовувати рівняння зміни питомої механічної енергії між двома суміжними точками відбирання рідини, яке для схеми рис.2.1 має вигляд

Рис.2.1. Схема до визначення втрат напору у розподільчому

трубопроводі дощувальних машин

З рівняння (2.1) при отримуємо

Дослідження коефіцієнтів ми виконали при дискретності зміни витрат та числа Рейнольдса Re = 7500…120000, які охоплюють весь діапазон чисел Re, що можуть бути в розподільчих трубопроводах мобільних дощувальних машин.

Результати досліджень коефіцієнтів зображені на рис.2.2., з якого видно, що значення , які визначені за формулою (2.2), розмістились навколо лінії 2, що відображає зміну коефіцієнтів у трубопроводі без роздачі витрат, тобто Q = const.

Рис.2.2. Графік для поліетиленового трубопроводу діаметром мм:

1 – гладкий трубопровід; 2 – трубопровід з місцевими гідравлічними

опорами без роздачі витрат; на ділянках

Порівнюючи значення (лінія 2) з величинами для гладкого трубопроводу (лінія 1), бачимо, що при Re = 10000…120000 коефіцієнтина 6…8% є більшими, ніж для гладких труб. Це збільшення зумовлене штучною шорсткістю, яка створена пристроями для відбору рідини. Отже, при віддалях між точками відбору рідини гідравлічний коефіцієнт тертя змінюється за законами рівномірного руху.

У результаті аналізу впливу місцевих гідравлічних опорів у розподільчих трубопроводах дощувальних машин на величини коефіцієнтів ми встановили, що при віддалях між дощувальними насадками коефіцієнт можна визначити за формулою

де коефіцієнт в = 1,03…1,035; л – гідравлічний коефіцієнт тертя у трубах без штучної шорсткості, яка зумовлюється пристроями для відбирання рідини. Величини л можна визначати за існуючими залежностями, а для поліетиленових труб при Re = 7000…130000 за формулою

П’єзометричні напори у розподільчих трубопроводах дощувальних машин перед дощувальними насадками обчислюються за формулою, що випливає з рівняння (2.1), тобто

У дисертації наведено порівняння величин п’єзометричних напорів, що обчислені за формулою (2.5) з дослідними. Розбіжність не перевищує 0,05%.

Подача зрошувальної води у розподільчі трубопроводи мобільних дощувальних машин типу шлангобарабанних здійснюється трубопроводами-шлангами, які поступово розмотуються з барабана-котушки або на нього намотуються.

З літературних джерел відомо, що втрати напору у плавнозігнутих трубопроводах типу змійовиків та спіралей можна визначати за формулою

де l, d – довжина та діаметр трубопроводу; V – середня швидкість потоку рідини у трубопроводі;

g – прискорення вільного падіння; - еквівалентний коефіцієнт гідравлічного тертя, який враховує додаткові гідравлічні опори, що спричинені кривизною потоку в трубопроводі. Коефіцієнт є функцією

де d/D – відносна кривизна потоку; d – внутрішній діаметр трубопроводу; D = 2R; R – радіус кривизни потоку; Re- число Рейнольдса.

Проаналізувавши технічні та гідравлічні параметри зарубіжних шлангобарабанних дощувальних машин типу “BAUER”, “RAINSTAR”, ми встановили, що у цих машинах середня кривизна труб-шлангів d/D = 0,035…0,05, а числа Рейнольдса лежать у межах Re = 50000-300000.

Для отримання залежностей, які дозволяють обчислити коефіцієнти у плавнозігнутих трубопроводах-шлангах з поліетилену в широкому діапазоні d/D та чисел Рейнольдса ми дослідили втрати напору ДН у поліетиленовому трубопроводі виробництва “Укрполімерконструкція” діаметром d = 43мм при числах Re = 10000…140000 та відносній кривизні потоку d/D = 0; 0,024; 0,031; 0,042.

Використовуючи дослідні значення функції (2.7) та відомий графік функції л = f(Дe /d;Re) для прямих труб з нерівномірною технічною шорсткістю, ми встановили, що відносну еквівалентну шорсткість плавнозігнутих труб при d/D = 0,02-0,06 можна апроксимувати залежністю

У цьому разі еквівалентний коефіцієнт наших дослідів можна визначити за формулою Альтшуля

в якій обчислюється за формулою (2.8).

Порівнюючи коефіцієнти для поліетиленових труб при з коефіцієнтами гідравлічного тертя гладких труб (), обчислених за формулою Філоненко-Альтшуля, встановили, що при числах Re = 80000-250000 та кривизні 0,04-0,05 втрати напору будуть на 15…35% більшими, ніж у прямих трубопроводах.

Отримані у другому розділі наукові результати дозволяють: 1 - удосконалити методику розрахунку розподільчих трубопроводів дощувальних машин, яка сприяє підвищенню рівномірності і роздачі води; 2 - оптимізувати діаметри барабанів-котушок та діаметри трубопроводів-шлангів мобільних шлангобарабанних дощувальних машин. Оптимальна кривизна труб може бути у діапазоні 0,03-0,05 У цьому разі додаткові втрати напору будуть більші всього на 5…10%, ніж при подачі води прямими трубопроводами.

У третьому розділі “Дослідження гідравлічних характеристик дощувальних насадок секторної дії” розглянуті основні критерії вибору конструкції параметрів дощувальних насадок, методика гідравлічних досліджень гідравлічних опорів та пропускної здатності насадок, результати досліджень, запропоновані аналітичні залежності для гідравлічних розрахунків та рекомендації до вибору основних геометричних розмірів насадок секторної дії.

На дощувальних машинах України широке застосування набули короткоструминні дощувальні насадки секторної дії, що розроблені в ІГіМ УААН. Практика експлуатації таких насадок показала, що частина науково-практичних питань ще недостатньо вивчена. Серед цих питань наступні:

1 – вплив конструкції та розмірів водопровідного тракту насадок на їхні гідравлічні опори; 2 – вплив висоти дефлектора-відбивача на гідравлічні опори та водопропускну здатність насадок; 3 – вплив висоти дефлектора-відбивача на формування факела дощу.

Для пошуку відповідей на перераховані питання ми виконали гідравлічні дослідження основних типів дощувальних насадок, схеми яких зображені на рис.3.1.

Рис.3.1. Схеми короткоструминних дощувальних насадок: а – зовнішня різьба ;

б – внутрішня різьба ; в – насадка б з дроселем; г – дросель насадки б

Рис.3.2. Схема дощувальної насадки Рис.3.3. Схема до гідравлічного розра-

з еластичним дефлектором: хунку пропускної здатності дощуваль-

1 - дефлектор-відбивач; них насадок: 1 – розподільчий трубо-

h = (1,4...2,6) dH; dК = (1,5...2) dH; провід дощувальної машини, 2 – зєдну-

lК = (1,5...2) dH; lH = 2dH вальна муфта, 3 - з'єднувальний трубо-

провід, 4 – кутник, 5 – муфта,

6 – дощувальна насадка

На рис.3.2 зображена схема дощувальної насадки з еластичним дефлектором, на яку отримано деклараційний патент [1]. Прообразом цієї насадки є насадка рис.3.1,а у якої висота дефлектора-відбивача h є сталою і дорівнює 14мм. У насадки рис.3.2 висота дефлектора-відбивача може змінюватись залежно від напрямку вітру.

У результаті аналізу дослідних даних встановили, що коефіцієнт витрати дощувальних насадок рис.3.1; 3.2 та дроселів рис.3.1,г є функціями:

Якщо геометричні параметри насадок рис.3.1,а знаходяться у межах ; ; ; , то коефіцієнт витрати насадок є функцією

У разі, коли число Rе ? 45000, то для насадок рис.3.1,а коефіцієнт

Функція (3.4) апроксимується наступними залежностями:

якщо h/dH = 1,4…2, то

Коефіцієнт витрати дощувальних насадок рис.3.1,а з параметрами при числах Rе ? 40000 дорівнює = 0,824, а коефіцієнт гідравлічного опору = 0,473.

Коефіцієнт витрати дощувальних насадок рис.3.1,б при числах ReН ? 19000 дорівнює 0,916, а коефіцієнт гідравлічного опору 0,192.

Коефіцієнти гідравлічного опору дроселів рис.3.1,г пропонуємо визначити за формулою

Витрату дощувальної насадки пропонуємо визначати за формулою

Для насадок з дроселями коефіцієнт опору

де dT ; lT ; юT - діаметр, довжина та площа поперечного перерізу трубопроводу 3 рис.3.3; - місцеві гідравлічні опори на трубопроводі 3 між перерізами В-В і К-К рис.3.3; - площі внутрішніх перерізів відповідних місцевих гідравлічних опорів на трубопроводі 3 між перерізами В-В і К-К.

Якщо дощувальна насадка установлена безпосередньо на розподільчому трубопроводі, то залежність (3.13) спрощується і , де - коефіцієнт гідравлічного опору дощувальної насадки.

Дослідженнями встановили, що витрати дощувальних насадок рис.3.1,а з висотою дефлектора h = 10мм на 6…7,5% менші, ніж при стандартній висоті h = 14мм. Якщо h = 18,5мм, то при напорах H > 2м витрати насадок рис.3.1,а всього на 0,5…1,5% більші, ніж при h = 14мм.

Висота дефлектора h впливає на форму факела дощу. Вибір діаметрів дощувальних насадок потрібно виконувати сумісно з розрахунком розподільчого трубопроводу. Оптимізація параметрів дощувальних насадок та розподільчого трубопроводу виконується з урахуванням коефіцієнта рівномірності роздачі витрат уздовж розподільчого трубопроводу, який ми пропонуємо визначати за формулою

де QПТ - витрата на початку розподільчого трубопроводу; QДi- витрата і-тої дощувальної насадки; N – кількість дощувальних насадок.

Конкретно цей вплив розглянуто у розділі 4.

У четвертому розділі ”Дослідження інтенсивності дощу та рівномірності зрошення дощувальними насадками секторної дії” проаналізовані існуючі відомчі нормативні методи та державні стандарти України, за якими виконуються дослідження інтенсивності та рівномірності дощу, який утворюється дощувальними машинами. У цих методиках увага звертається на кількість дощомірів (колекторів), їх розташування на площі, яка зрошується, наводяться коефіцієнти якості поливу та коефіцієнти ефективності поливу.

У відомчих нормах України якість поливу оцінюється наступними коефіцієнтами:

де - коефіцієнти, відповідно, ефективного, недостатнього і надмірного поливу; ; ; ; - площі, відповідно, ефективного, недостатнього, надмірного поливу і загальна зрошувана площа.

Ефективність роботи дощувальної машини вважається достатньою, якщо

Коефіцієнт рівномірності поливу за відомчими нормами і державним стандартом України визначається за формулою Крістіансена:

де N- загальна кількість дощомірів; hi- шар опадів в і-тому дощомірі; hC - середнє значення шару опадів за всіма дощомірами.

У дисертації проаналізована структура залежностей (4.1)-(4.3) та висловлені деякі недоліки їх визначення.

Оскільки якість дощу і якість поливу безпосередньо залежить від якості та рівномірності до-щу, що утворюється окремими дощувальними насадками, то ми спробували внести деякі уточ-нення та доповнення до існуючих методик дослідження і оцінок якості та рівномірності поливу на основі досліджень рівномірності дощу, що утворюється окремими дощувальними насадками та врахування допустимої варіації поливних норм при вирощуванні сільськогосподарських культур на різних ґрунтах, які наводяться у довідковій літературі як результати багаторічних досліджень.

У результаті ми довели, що співвідношення між допустимими більшими і допустимими меншими поливними нормами є наступним:

де; - більша і менша допустима інтенсивність дощу на площі зрошення.

У цьому разі коефіцієнт ефективної рівномірності можна запропонувати таким:

У всіх випадках технологічна поливна норма не повинна перевищувати ерозійно допустиму поливну норму. Ця умова буде забезпечена, якщо інтенсивність дощу і водовбирна швидкість ґрунту знаходяться у співвідношенні

Дослідження інтенсивності дощу, що утворюється дощувальними насадками рис.3.1; 3.2 ми виконали на експериментальній установці, схема якої зображена на рис. 4.1.

Тривалість дощування у дослідах становила 30…35хв. Шар дощування накопичувався у циліндричних дощомірах (колекторах). Дощоміри розташовували на віддалях 1,5; 2,5; 3,5; 4,5; 5,5м від центра сектора дощу та кутах, які відраховувались вліво і вправо від осі сектора дощу: 0;10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80. Для центральної осі сектора дощу кут . Центральні кути секторів дощу дорівнювали .

Рис.4.1. Схема експериментальної установки: 1 – резервуар води; 2 – насос;

3 – кран; 4 – водопровід; 5 – зразковий манометр; 6 – дощувальна насадка;

7 – маркер; 8 – колектори для збирання шару дощу

Швидкість вітру на висоті 1,8…2м заміряли чашечним анемометром.

Результати досліджень інтенсивності дощу аналізували за функцією

де H- напір; R- віддаль дощоміра від насадки; - кут розташування дощоміра на радіусіR; h- висота дефлектора-відбивача.

У результаті аналізу виконаних дослідів встановили вплив висоти дефлектора-відбивача на формування факела дощу. Для насадки рис.3.1,а діаметром 7мм h=18,5мм центральна частина поверхні факела дощу піднімається вище, ніж при стандартному значенні h=14мм і дальність падіння крапель дощу збільшується. Якщо , то по центральній осі сектора дощу дальність падіння крапель зменшується, а центральний кут сектора дощу збільшується.

Факел дощу насадок рис.3.1,б розпадається на три частини різної інтенсивності. Тому доцільно використовувати насадки типу рис.3.1,а. Вони мають більший коефіцієнт витрати, формують кращу рівномірність дощу, ніж насадки рис.3.1,б.

Для виробничих умов більше значення мають не точкові значення інтенсивностей дощу, а осереднені їх величини на сталих радіусах секторів дощу.

Забезпечення умови (4.5) досягається шляхом визначення відповідних величин центрального кута сектора дощу, який ми називаємо оптимальним та меншою і більшого радіусів сектора дощу.

Для визначення коефіцієнтів ефективного зрошення одиночною дощувальною насадкою потрібно, на основі дослідних даних, визначити середні інтенсивності дощу на відповідних радіусах і побудувати графік функції

Схема такого графіка зображена на рис. 4.2.

Будемо мати інтенсивності дощу, які формують поливні норми, значення яких знаходяться у межах допустимих відхилень. Тоді коефіцієнт ефективного поливу одиночною дощувальною насадкою дорівнює

Коефіцієнт недостатнього зрошення у відповідності з рис.4.2 буде таким

У дисертації наведені розрахункові значення ширини секторних смуг дощу, на яких маємо допустиме значення коефіцієнта ефективної рівномірності зрошення, тобто 0,77.

З метою економії зрошувальної води та підвищення коефіцієнта ефективного зрошення (4.10) нами запропонована удосконалена методика визначення віддалей між дощувальними насадками, суть якої у тому, що між кожними двома насадками більшого діаметра (рис.4.3) встановлюється насадка меншого діаметра. Віддаль між дощувальними насадками більшого діаметра визначається за формулою

де - радіус, на якому знаходиться точка перетину променів кута сектора дощу при .

Значення для досліджених дощувальних насадок можна взяти такими: для насадок рис.3.1,а при напорі Н=10-20м діаметром 5-6мм , діаметром 7-7,5мм . Оптимальний кут сектора дощу для цих насадок 1200. Якщо діаметр насадок 3; 4мм, то

У п’ятому розділі “Аналітичні залежності для гідравлічних розрахунків та оптимізації параметрів дощувальних насадок і розподільчих трубопроводів” наведено узагальнення наукових результатів, які були нами отримані у розділах 2-4 та практичне їх застосування для проектування дощувальних машин.

Розглянуто приклад проектування мобільних дощувальних машин типу ШБДУ-15/60. Приклад містить наступне: вибір раціонального діаметра розподільчого трубопроводу на основі допустимої нерівномірності витрат дощувальних насадок уздовж трубопроводу; вибір раціональних діаметрів дощувальних насадок та визначення необхідної їх кількості; визначення коефіцієнта ефективного зрошення на основі допустимої варіації поливних норм; вибір оптимальної кривизни трубопровода-шланга, визначення його діаметра та діаметра барабана-котушки. Наведені також оцінки економічної ефективності, яку можна отримати у результаті застосування отриманих у дисертації наукових результатів з використанням існуючих нормативних рекомендацій для оцінок економічної ефективності дощувальної техніки. Для мобільної дощувальної машини з вихідними параметрами: витрата 15л/с; ширина смуги поливу 60м; довжина трубопроводу-шланга 280м; напір на вході у трубопровід-шланг 40м отримали наступні показники ефективності:

- коефіцієнт рівномірності роздачі витрат уздовж розподільчого трубопроводу 95%

- коефіцієнт ефективного зрошення 0,70

- економія зрошувальної води за рахунок оптимального вибору діаметрів дощувальних насадок на 25%;

- економія енергії на транспортування води трубопроводом-шлангом на 15%;

- економія енергії на транспортування води розподільчим трубопроводом до 20%;

- економічний ефект за рахунок підвищення рівномірності поливу до 14%.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведене нове вирішення наукового завдання удосконалення параметрів розподільчих трубопроводів широкозахватних дощувальних машин, плавнозігнутих транзитних трубопроводів мобільних дощувальних машин, дощувальних насадок секторної дії, яке поліпшує техніко-економічні показники дощувальної техніки, сприяє підвищенню ефективності зрошення.

2. У результаті теоретичного аналізу та дослідних даних доведено, що у розподільчих трубопроводах дощувальних машин гідравлічні опори підпорядковуються закономірностям гідравлічних опорів рівномірного руху у трубопроводах, а гідравлічний коефіцієнт тертя збільшується на 3…3,5% за рахунок гідравлічного опору з’єднувальних елементів дощувальних насадок з розподільчим трубопроводом.

3. Гідравлічні опори у плавнозігнутих транзитних трубопроводах шлангобарабанних дощувальних машин збільшуються зі зменшенням діаметра барабана-котушки D. Еквівалентний коефіцієнт гідравлічного тертя у цих трубопроводах є функцією Re =V, де d- внутрішній діаметр трубопроводу. Оптимальна кривизна трубопроводів знаходиться у межах 0,03-0,05, діаметр барабанів-котушок 1,3-2м. У цьому разі затрати потужності на транспортування води можуть бути всього на 5-10% більше, ніж прямими трубопроводами.

4. Водопропускна здатність короткоструминних дощувальних насадок секторної дії (рис.3.1, 3.2) залежить від висоти дефлектора-відбивача. Дальність падіння крапель дощу збільшується по центральній осі сектора дощу при збільшенні h, і зменшується при зменшенні h на 0,5…0,8м.

5. Розрахунок водопропускної здатності дощувальних насадок потрібно виконувати за формулою (3.10), а коефіцієнти витрати та загальний гідравлічний опір системи “розподільчий трубопровід-дощувальна насадка” за формулою (3.13).

6. Дощувальні насадки з циліндричною вихідною частиною довжиною (рис.3.1,а) утворюють кращу рівномірність дощу, ніж дощувальні насадки з конусною частиною перед дефлектором-відбивачем (рис.3.1,б,в), за якими струмінь води ділиться на окремі факели дощу (переважно на три факели), що спричиняє додаткову нерівномірність дощу.

7. Удосконалена методика розрахунку параметрів дощувальних насадок та віддалей між ними на розподільчому трубопроводі. Для підвищення рівномірності поливу і зменшення нераціонального використання зрошувальної води на середині віддалі між дощувальними насадками більшого діаметра доцільно встановлювати дощувальну насадку меншого діаметра. Віддаль між дощувальними насадками більшого діаметра визначається за формулою (4.12).

8. Удосконалена методика та розроблено алгоритм для визначення діаметра розподільчого трубопроводу дощувальної машини, діаметрів дощувальних насадок, коефіцієнтів рівномірності роздачі витрат уздовж розподільчих трубопроводів, коефіцієнта ефективної рівномірності зрошення, який враховує допустиму варіацію поливних норм.

9. Застосовуючи розроблені нами аналітичні залежності та методики розрахунків розподільчих трубопроводів, транзитних трубопроводів-шлангів шлангобарабанних дощувальних машин, методику визначення віддалей між дощувальними насадками та вибору параметрів з використанням нормативних методик оцінок ефективності дощувальної техніки можна отримати економію енергії на транспортування води плавнозігнутими трубопроводами до 15%, економію води та енергії на транспортування води розподільчими трубопроводами до 20%, збільшити річний економічний ефект за рахунок підвищення рівномірності зрошення до 14%.

10. Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи використані у “Рекомендаціях з удосконалення існуючих систем подачі води від насосної станції до дощувальної машини” ВДН 33-3.3-08.2003. Держводгосп України. 2003, у розробці дослідного зразка шлангобарабанної дощувальної машини ШБДМ – 15/80 ІГіМ УААН.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1.

2.

3. Гринь Ю.І., Лелявська Л.Б., Пензев О.Ф., Пашкевич О.І., Черепанов В.С., Демянюк О.С., Єсаулов В.П. Рекомендації з удосконалення існуючих систем подачі води від насосної станції до дощувальної машини. ВНД 33-3.3-08-2003. Держводгосп України. К.: 2003. – 58с. Здобувачка запропонувала схеми розташування мобільних дощувальних машин на існуючих зрошувальних системах.

4. Гринь Ю.І., Пашкевич О.І. Дослідження і розрахунки гідравлічних характеристик дощувальних насадок секторної дії та дроселюючих пристроїв насадок. // Вісник НУВГП. Збірник наук. праць. Вип. 3(27).Рівне.2004. – с.123-131. Здобувачка виконала дослідження та аналіз гідравлічних опорів дощувальних насадок секторної дії.

5. Пашкевич О.І. Дослідження витратно-напірних характеристик короткоструминних дощувальних насадок секторної дії та їх гідравлічні розрахунки. // Вісник УДУВГП. Збірник наук. праць. Вип.2(26). Рівне. 2004. – с.185-194.

6. Пашкевич О.І. Аналіз залежностей для гідравлічних розрахунків розподільчих трубопроводів дощувальних машин фронтальної дії. // Вісник НУВГП, частина 1. Збірник наукових праць. Вип.4 (28). Рівне. 2004. с.92-100.

7. Пашкевич О.І. Оптимізація параметрів дощувальних насадок секторної дії та їх розміщення на трубопроводах дощувальних машин на основі рівномірності дощу. // Вісник НУВГП. Рівне. Вип..1(20).2005. с.55-67.

8. Гринь Ю.І., Вельбік А.Г., Пашкевич О.І. Перспективи використання шлангобарабанних установок в Україні. // Меліорація і водне господарство. К.: Аграрна наука. Вип..91 2004. – с.218-225. Здобувачка виконала розрахунки втрат напору у плавнозігнутих трубопроводах шлангобарабанних дощу вальних машин.

9. Гринь Ю.І., Удовенко В., Вельбик А.Г., Пашкевич О.І., Дем’янюк О.С., Бабіцький В.В. Сумісне використання широкозахватних і мобільних дощувальних машин // Водне господарство України. Держводгосп України. К.: № 3. 2005. – с.32-36. Здобувачка виконала розрахунки щодо раціонального використання мобільних дощувальних машин на зрошувальних системах .

10. Науменко І.І., Пашкевич О.І. Дослідження гідравлічних опорів у поліетиленових плавнозігнутих трубопроводах. // Вісник УДУВГП, частина 5. Збірник наук. праць. Вип..5 (18). Рівне, УДУВГП, 2002. с.121-129. Здобувачка виконала дослідження та аналіз гідравлічних опорів у поліетиленових плавнозігнутих трубопроводах.

11. Науменко І.І., Пашкевич О.І. Дослідження інтенсивності дощу та рівномірності зрошення дощувальними насадками секторної дії. // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Рівне. НУВГП. Вип. 20. 2005. – с.66-79. Здобувачка виконала дослідження та аналіз факторів, що впливають на інтенсивність дощу, створеного дощувальними насадками секторної дії.

12. Науменко І.І., Пашкевич О.І. Розрахунки і дослідження втрат напору різними типами шлангобарабанних установок. // Звіт про науково-дослідну роботу. УДУВГП. 2002. – 27с. Здобувачка виконала гідравлічні дослідження втрат напору у плавнозігнутих поліетиленових трубопроводах та аналіз залежностей для визначення їхніх гідравлічних опорів.

АНОТАЦІЇ

Пашкевич О.І. Удосконалення методів розрахунку засобів дощування,

розподільчих і транзитних трубопроводів дощувальних машин фронтальної дії

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02 – сільськогосподарські меліорації. – Національний університет водного господарства та природокористування. Рівне. 2006.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень вивчені закономірності формування гідравлічних опорів у розподільчих трубопроводах дощувальних машин фронтальної дії; удосконалені аналітичні залежності для гідравлічних розрахунків цих трубопроводів.

Отримані аналітичні залежності для вибору параметрів плавнозігнутих транзитних водопроводів мобільних дощувальних машин типу шлангобарабанних, визначені раціональні границі відносної кривизни цих трубопроводів, що дозволяє подавати воду до розподільчих трубопроводів без суттєвих додаткових втрат напору, яка спричиняється кривизною трубопроводу.

Розроблена удосконалена методика вибору геометричних і гідравлічних параметрів дощувальних насадок секторної дії та розрахунку віддалей між ними на розподільчому трубопроводі дощувальної машини фронтальної дії, яка враховує допустиму інтенсивність та рівномірність дощу.

Ключові слова: дощувальна машина, розподільчий трубопровід; плавнозігнутий трубопровід, дощувальна насадка, інтенсивність дощу; рівномірність дощу.

Пашкевич Е.И. Усовершенствование методов расчета средств для

дождевания, распределительных и транзитных трубопроводов

дождевальных машин фронтального действия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 – сельскохозяйственные мелиорации. – Национальный университет водного хозяйства и природоиспользования. Ривне (Україна).2006.

В диссертационной работе изложены вопросы исследований и разработки аналитических зависимостей для расчета параметров распределительных трубопроводов дождевальных машин фронтального действия; расчета геометрических и гидравлических параметров дождевальных насадок секторного действия, которые устанавливаются на распределительных трубопроводах; гидравлического расчета водоподающих плавноизогнутых трубопроводов мобильных дождевальных машин типа шлангобарабанных.

В работе, на основе теоретических и экспериментальных исследований изучены закономерности образования гидравлических сопротивлений в распределительных трубопроводах дождевальных машин фронтального действия, предложены усовершенствованные аналитические зависимости для выбора параметров этих трубопроводов.

На основе экспериментальных исследований потерь напора в плавноизогнутых полиэтиленовых трубопроводах разработаны аналитические зависимости для гидравлического расчета плавноизогнутых водоподающих трубопроводов мобильных дождевальных машин. Определены рациональные границы относительной кривизны этих трубопроводов.

Предложена усовершенствованная методика выбора геометрических и гидравлических параметров дождевальных насадок секторного действия, определения расстояний между ними на распределительном трубопроводе дождевальной машины фронтального действия, которая учитывает допустимую интенсивность и равномерность дождя.

На примере проектирования мобильной дождевальной машины типа шлангобарабанной с расходом до 15 л/с показано, что при использовании разработанных в диссертации зависимостей и методик, можно получить экономию энергии на транспортирование воды до 15 %; экономию воды до 20 %; повысить экономический эффект от орошения за счет улучшения равномерности полива до 14%.

Ключевые слова: дождевальная машина; распределительный трубопровод; плавноизогнутый трубопровод; дождевальная насадка; интенсивность дождя; равномерность дождя.

Pashkevich O.I. Improvement of methods of calculation of adaptations of irrigation,

distribution and transit pipelines of sprinkling machines with front operation

Dissertation for gaining scientific degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 06.01.02 – Agricultural land – improvement (Technical Sciences).- National University of Water Management and Nature Resources Use. Rivne. 2006.

Dissertation suggests conformities to natural laws of forming hydraulic resistances in distribution pipelines of sprinkling machines with front operation on basis of theoretical and experimental researches improved analytical dependences for hydraulic calculation of these pipelines.

Analytical dependencies for choice of parameters smoothly curved transit pipelines of mobile sprinkling machines like hose and reel ones get; rational limits of relative curvature of these pipelines were formed. It allows to give water into distribution pipelines without considerable head losses, which conditioned by smoothly curved of pipelines.

Improved methods of choice of geometrical and hydraulic parameters of sprinkling jets of sector operation; and calculation of distance between them on distribution pipeline sprinkling machine of front operation, which accounts permissible intensive and uniformity of irrigation were elaborate.

Key phrases: sprinkling machine, distribution pipelines, smoothly curved pipeline, sprinkling jet, intensive of irrigation, uniformity of irrigation.