Рабочие органы дождевальных машин и установок
Назначение и классификация
Рабочие органы дождевальных устройств предназначены для преобразования водного потока в дождевые капли, транспортирования капель на определенные расстояния и распределения их по площади полива. Их работой определяется качество дождя, так как по их работе судят о качестве работы всей машины или установки.
По характеру процесса образования дождя их разделяют на две группы: веерные и струйные. Первые создают широкий веерообразный поток воды в виде тонкой пленки, которая, встречая сопротивление воздуха, распадается на отдельные капли. Они неподвижны относительно машины или установки и одновременно орошают всю прилегающую к позиции площадь в пределах дальности полета капель, отличаются простотой устройства и получили наименование дождевальных насадок. Вторые создают поток воды в виде осесимметричных струй, которые в процессе движения под действием сопротивления воздуха распадаются на отдельные капли. Они одновременно орошают прилегающую к позиции площадь в пределах дальности полета струи в форме сектора. Для орошения площади круга им сообщают вращательное (угловое) движение относительно машины или установки. Струйные рабочие органы с поворотными устройствами сложнее веерных, их называют дождевальными аппаратами.
Все рабочие органы, т. е. дождевальные насадки и аппараты» подразделяют главным образом по дальности разбрызгивания и напору воды на три группы: короткоструйные, или низконапорные (дальность полета капель до 8 м, напор воды 0, 05...0, 15 МПа); среднеструйные, или средненапорные (дальность полета капель до 35 м, напор воды 0, 15...0, 5 МПа); дальнеструйные, или высоконапорные (дальность полета капель до 60 м, напор воды свыше 0, 5 МПа).
Короткоструйные рабочие органы
Выполняют, как правило, в виде дождевальных насадок. Находят применение дефлекторные, половинчатые, щелевые и центробежные разбрызгивающие насадки.
Дефлекторные насадки (рис 1, а) получили наибольшее распространение. Корпус 2 насадки навинчивают на вертикальный стояк. Струя воды, выходя под напором из отверстия диафрагмы, обтекает дефлектор 1, в результате чего образует пленку воронкообразной формы, которая при дальнейшем движении распадается на капли и орошает прилегающую к насадке круговую площадь. Пленка сходит с дефлектора под углом 30° к горизонту, что обеспечивает максимальную дальность полета образующихся из нее капель. К достоинствам дефлекторных насадок относят сравнительно малый размер капель (0, 9...1, 1, мм) и небольшой расход энергии на их образование. Однако капли неоднородны по величине, интенсивность их распределения по площади полива также неравномерна. По мере удаления от насадки размер капель возрастает, а интенсивность дождя сначала возрастает, а затем падает. Из-за высокой интенсивности дождя (0, 75 ...1, 1 мм/мин) их применение в машинах и установках позиционного действия весьма ограничено. С увеличением напора воды и диаметра выходного отверстия насадки расход и дальность разбрызгивания воды увеличиваются. Расход воды через насадку может быть определен по формуле (141) с учетом того, что коэффициент расхода р, для дефлекторных насадок равен 0, 8...0, 9.
Половинчатые или щелевые насадки применяют, если нужно получить односторонний полив.
В половинчатой насадке (рис. 1, 6) дефлектор 1 имеет форму половины конуса и приварен к отогнутой пластине, которая перегораживает в корпусе 2 половину выходного отверстия. Половинчатая насадка работает аналогично круглой. Расход воды определяют по той же формуле, имея в виду, что она выходит через полукруглое отверстие площадью.
Щелевая насадка (рис. 1, б) может быть получена путем пропила трубы. Вытекающая из щели вода имеет форму плоской веерообразной пленки. Распадение ее на капли происходит менее интенсивно, чем в дефлекторных насадках, вследствие чего вблизи насадки возникает неорошаемая зона. Площадь отверстия насадки f = nd (ph/3QO, где ср — центральный угол факела разбрызгивания; р,— коэффициент расхода, равный 0, 7.
Центробежная насадка (рис. 1, г). Вода в нее поступает через тангенциальный канал корпуса 2, благодаря чему интенсивно закручивается, вовлекаясь в вихревое движение. На выходе из центрального отверстия верхней крышки 3 образуется кольцевой поток со свободным пространством в центре. После выход; из отверстия благодаря тангенциальным составляющим скорости поток воды расширяется, образуя тонкую воронкообразную пленку которая под действием сопротивления воздуха теряет устойчивость) и распадается на капли.
Среднеструйные дождевальные аппараты
Служат рабочими органами большинства современных дождевальных машин и установок. Несмотря на многомарочность, их конструкции однотипны и не имеют принципиальных отличий. Наиболее распространено семейство унифицированных аппаратов типа «Роса» (рис. 1, д). Базовый аппарат этого семейства состоит из корпуса 16, ствола 15, выходных сопл 10, 14 и 17, основания 18, механизма вращения 4. ..9, 11...13 и механизма секторного полива 22...27. Корпус 16 отлит из алюминиевого сплава и снабжен тремя водопроводными каналами. Ствол 15 и сопла 10, 14 и 17 — пластмассовые. Сопла сменные, что позволяет изменять расход воды и интенсивность дождя. Для гашения турбулентных потоков и увеличения за счет этого дальности полета струи внутри ствола 15 установлен выпрямитель или успокоитель, представляющий собой набор продольных пластин, разделяющих поток на несколько участков. Основание 18 имеет вид шестигранной втулки (под ключ) с наружной резьбой для крепления к трубопроводу. Бронзовая втулка, запресованная в основание 18, — это радиальный подшипник для бронзового стакана 19, ввернутого в корпус 16, а фторопластовые шайбы 21 выполняют роль упорных подшипников. Резиновые шайбы 20 герметизируют внутреннюю полость аппарата. Механизм вращения включает в себя коромысло 12 с лопатками 11 и 13, возвратную пружину 7, фиксатор 5 со штифтом 6. Возвратная пружина одним концом закреплена в коромысле, другим — в фиксаторе. В процессе поворотов коромысла 12 трение происходит между бронзовой втулкой, напресованной на ось, и фторопластовой шайбой 8, установленной в коромысле 12. Механизм секторного полива состоит из упора 27 и рычага 24, посаженных на одну ось и соединенных между собой пружиной 26; стержня 23 со стопорным винтом 25 и пружинных упорных колец 22.
Вода из трубопровода поступает в корпус 16 и через сопла 10, 14 и 17 выбрасывается наружу в виде струй, расположенных под углом 30° к горизонту. В воздухе струи распадаются на капли, орошая узкую полоску поля в виде сектора. Корпус с соплами вращается по кругу за счет кинетической энергии верхней струи. При вылете из сопла 10 вода ударяется о лопатку 13, вследствие чего коромысло 12 получает запас кинетической энергии, под действием которой поворачивается на угол от 30 до 90°, закручивая пружину 7. Обратный ход коромысла 12 происходит под действием закрученной пружины 7, а в конце усиливается действием струи на лопатку 11. В конце обратного хода коромысло 12 ударяет в упор 9 на корпусе 16, в результате чего корпус с соплами поворачивается на угол 2...30. После удара лопатка 13 вновь попадает в струю воды, и цикл повторяется. В результате происходит прерывистое движение корпуса по окружности. Скорость вращения регулируют предварительным закручиванием пружины 7 с помощью фиксатора 5 и штифта 6. Частота вращения 0, 25...1, 0 мин-1. Для полива по сектору стержень 23 перемещают в нижнее положение (опускают) и фиксируют винтом 25. Угол сектора и направление полива устанавливают соответствующим разворотом упорных колец 22.
Дальнеструйные дождевальные аппараты
Отличаются главным образом конструкцией механизмов вращения. В отдельных конструкциях для вращения дальнеструйных дождевальных аппаратов (ДДА) используют: механическую энергию от ВОМ трактора, кинетическую энергию струи, разрежение воздуха на выходе струи из сопла, реактивную силу струи.
Механический привод от ВОМ трактора состоит из шестеренчатого и червячного редукторов или червячного редуктора и храпового механизма. Его применение ограничивается только тракторными дождевальными машинами.
Кинетическая энергия струи, вылетающей из сопла, используется в разборных переносных установках и широкозахватных машинах. Их выполняют в двух вариантах: с качающимся в вертикальной плоскости коромыслом (ныряющей лопаткой) и с вращающейся турбинкой.
Дальнеструйный аппарат с качающимся коромыслом (рис.1, е) вследствие своей простоты находит наибольшее распространение в стационарных системах. Основные его узлы: корпус 33, ствол 34, сопло 37 и коромысло 39 с лопаткой 40. Лопатка имеет двойную кривизну, т. е. в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Поэтому струя воды, вышедшая из сопла 37, ударяясь о лопатку 40, не только отклоняет ее вниз (на угол до 120°), но и поворачивает в сторону на угол 2...6° (в зависимости от напора). Противовес, расположенный по другую сторону от оси 36 коромысла 39, возвращает лопатку 40 в струю, и цикл повторяется. Лопатка не только поворачивает ствол, но и выполняет роль дефлектора. Когда она входит в струю, то орошается площадь вблизи аппарата, когда выходит из нее, орошается площадь, удаленная от аппарата.
В аппарате с турбинкой обеспечивается круговое вращение ствола с помощью турбинки, лопасти которой входят в струю воды выбрасываемую через сопло. От турбинки через два червячных, редуктора, кривошипно-шатунный и храповой механизмы вращение передается червяку, который обкатывается вокруг червячного колеса, закрепленного на неподвижном корпусе, и приводит во вращение ствол. Скорость вращения ствола регулируют изменением входа лопаток турбинки в струю. В процессе работы турбинка отсекает часть струи, обеспечивая тем самым хороший полив зоны, расположенной вблизи аппарата. Однако это приводит к снижению дальности полета струи на 25...30%.
Механизм вращения, работающий за счет разрежения, создаваемого струей. Сопло такого дождевального аппарата заканчивается диффузором (расширяющейся насадкой). Поток воды, проходя узкое сечение диффузора, образует зону вакуума. Эту зону соединяют трубкой с пневматическим, например диафрагмовым, двигателем, работающим за счет перепада давления между атмосферой и вакуумом в диффузоре. Колебания диафрагмы обычно через храповой механизм приводят в движение ствол аппарата.
Если ось сопла расположить под некоторым углом к оси ствола или отнести ее в сторону, то возникнет реактивный момент, который может быть использован для вращения ствола дождевального аппарата. Дальнеструйные дождевальные аппараты, вращение которых основано на этом принципе, обычно оборудуют специальными тормозными устройствами, воспринимающими разность между вращающим моментом от реактивной силы струи и моментом трения вращающихся частей аппарата. Наиболее распространены гидравлические и механические тормозные устройства. Гидравлический тормоз обычно представляет собой шестеренчатый или иной ротационный масляный насос, перегоняющий масло по замкнутому каналу, сопротивление которого регулируется вентилем или краном.
Изменяя сопротивление, регулируют частоту вращения ствола дождевального аппарата.
Рабочие органы дождевальных устройств предназначены для преобразования водного потока в дождевые капли, транспортирования капель на определенные расстояния и распределения их по площади полива. Их работой определяется качество дождя, так как по их работе судят о качестве работы всей машины или установки.
По характеру процесса образования дождя их разделяют на две группы: веерные и струйные. Первые создают широкий веерообразный поток воды в виде тонкой пленки, которая, встречая сопротивление воздуха, распадается на отдельные капли. Они неподвижны относительно машины или установки и одновременно орошают всю прилегающую к позиции площадь в пределах дальности полета капель, отличаются простотой устройства и получили наименование дождевальных насадок. Вторые создают поток воды в виде осесимметричных струй, которые в процессе движения под действием сопротивления воздуха распадаются на отдельные капли. Они одновременно орошают прилегающую к позиции площадь в пределах дальности полета струи в форме сектора. Для орошения площади круга им сообщают вращательное (угловое) движение относительно машины или установки. Струйные рабочие органы с поворотными устройствами сложнее веерных, их называют дождевальными аппаратами.
Все рабочие органы, т. е. дождевальные насадки и аппараты» подразделяют главным образом по дальности разбрызгивания и напору воды на три группы: короткоструйные, или низконапорные (дальность полета капель до 8 м, напор воды 0, 05...0, 15 МПа); среднеструйные, или средненапорные (дальность полета капель до 35 м, напор воды 0, 15...0, 5 МПа); дальнеструйные, или высоконапорные (дальность полета капель до 60 м, напор воды свыше 0, 5 МПа).
Короткоструйные рабочие органы
Выполняют, как правило, в виде дождевальных насадок. Находят применение дефлекторные, половинчатые, щелевые и центробежные разбрызгивающие насадки.
Дефлекторные насадки (рис 1, а) получили наибольшее распространение. Корпус 2 насадки навинчивают на вертикальный стояк. Струя воды, выходя под напором из отверстия диафрагмы, обтекает дефлектор 1, в результате чего образует пленку воронкообразной формы, которая при дальнейшем движении распадается на капли и орошает прилегающую к насадке круговую площадь. Пленка сходит с дефлектора под углом 30° к горизонту, что обеспечивает максимальную дальность полета образующихся из нее капель. К достоинствам дефлекторных насадок относят сравнительно малый размер капель (0, 9...1, 1, мм) и небольшой расход энергии на их образование. Однако капли неоднородны по величине, интенсивность их распределения по площади полива также неравномерна. По мере удаления от насадки размер капель возрастает, а интенсивность дождя сначала возрастает, а затем падает. Из-за высокой интенсивности дождя (0, 75 ...1, 1 мм/мин) их применение в машинах и установках позиционного действия весьма ограничено. С увеличением напора воды и диаметра выходного отверстия насадки расход и дальность разбрызгивания воды увеличиваются. Расход воды через насадку может быть определен по формуле (141) с учетом того, что коэффициент расхода р, для дефлекторных насадок равен 0, 8...0, 9.
Половинчатые или щелевые насадки применяют, если нужно получить односторонний полив.
Рис. 1 Рабочие органы дождевальных машин и установок:
а, б, в и г — короткоструйные насадки: дефлекторная, половинчатая, щелевая, центробежная; е — среднеструйный и дальнеструйный дождевальные аппараты; 1 — дефлектор; 2 — корпус; 3 — верхняя Крышка; 4 — колпачок; 5 — фиксатор; 6 — штифт; 7 — пружина; 8 — фторопластовая шайба; 9 — упор: 10 — сопло; 11 и 13 — лопатки; 12 — коромысло; 14 — сопло; 15 — ствол; 16 — корпус; 17 — сопло; 18 — основание; 19 — стакан; 20 — резиновая шайба; 21 — фторопластовая шайба; 22 — упорное кольцо; 23 — стержень; 24 — рычаг; 25 — стопорный винт; 26 — пружина; 27 — упор; 28 — фланец; 59 и 38 — прокладки; 30 — манжета; 31 — упорная шайба; 32 — втулка; 33 — корпус; 34 — ствол; 35 — выпрямитель; 36 — ось коромысла; 37 — сопло; 39 — коромысло; 40 — лопатка.В половинчатой насадке (рис. 1, 6) дефлектор 1 имеет форму половины конуса и приварен к отогнутой пластине, которая перегораживает в корпусе 2 половину выходного отверстия. Половинчатая насадка работает аналогично круглой. Расход воды определяют по той же формуле, имея в виду, что она выходит через полукруглое отверстие площадью.
Щелевая насадка (рис. 1, б) может быть получена путем пропила трубы. Вытекающая из щели вода имеет форму плоской веерообразной пленки. Распадение ее на капли происходит менее интенсивно, чем в дефлекторных насадках, вследствие чего вблизи насадки возникает неорошаемая зона. Площадь отверстия насадки f = nd (ph/3QO, где ср — центральный угол факела разбрызгивания; р,— коэффициент расхода, равный 0, 7.
Центробежная насадка (рис. 1, г). Вода в нее поступает через тангенциальный канал корпуса 2, благодаря чему интенсивно закручивается, вовлекаясь в вихревое движение. На выходе из центрального отверстия верхней крышки 3 образуется кольцевой поток со свободным пространством в центре. После выход; из отверстия благодаря тангенциальным составляющим скорости поток воды расширяется, образуя тонкую воронкообразную пленку которая под действием сопротивления воздуха теряет устойчивость) и распадается на капли.
Среднеструйные дождевальные аппараты
Служат рабочими органами большинства современных дождевальных машин и установок. Несмотря на многомарочность, их конструкции однотипны и не имеют принципиальных отличий. Наиболее распространено семейство унифицированных аппаратов типа «Роса» (рис. 1, д). Базовый аппарат этого семейства состоит из корпуса 16, ствола 15, выходных сопл 10, 14 и 17, основания 18, механизма вращения 4. ..9, 11...13 и механизма секторного полива 22...27. Корпус 16 отлит из алюминиевого сплава и снабжен тремя водопроводными каналами. Ствол 15 и сопла 10, 14 и 17 — пластмассовые. Сопла сменные, что позволяет изменять расход воды и интенсивность дождя. Для гашения турбулентных потоков и увеличения за счет этого дальности полета струи внутри ствола 15 установлен выпрямитель или успокоитель, представляющий собой набор продольных пластин, разделяющих поток на несколько участков. Основание 18 имеет вид шестигранной втулки (под ключ) с наружной резьбой для крепления к трубопроводу. Бронзовая втулка, запресованная в основание 18, — это радиальный подшипник для бронзового стакана 19, ввернутого в корпус 16, а фторопластовые шайбы 21 выполняют роль упорных подшипников. Резиновые шайбы 20 герметизируют внутреннюю полость аппарата. Механизм вращения включает в себя коромысло 12 с лопатками 11 и 13, возвратную пружину 7, фиксатор 5 со штифтом 6. Возвратная пружина одним концом закреплена в коромысле, другим — в фиксаторе. В процессе поворотов коромысла 12 трение происходит между бронзовой втулкой, напресованной на ось, и фторопластовой шайбой 8, установленной в коромысле 12. Механизм секторного полива состоит из упора 27 и рычага 24, посаженных на одну ось и соединенных между собой пружиной 26; стержня 23 со стопорным винтом 25 и пружинных упорных колец 22.
Вода из трубопровода поступает в корпус 16 и через сопла 10, 14 и 17 выбрасывается наружу в виде струй, расположенных под углом 30° к горизонту. В воздухе струи распадаются на капли, орошая узкую полоску поля в виде сектора. Корпус с соплами вращается по кругу за счет кинетической энергии верхней струи. При вылете из сопла 10 вода ударяется о лопатку 13, вследствие чего коромысло 12 получает запас кинетической энергии, под действием которой поворачивается на угол от 30 до 90°, закручивая пружину 7. Обратный ход коромысла 12 происходит под действием закрученной пружины 7, а в конце усиливается действием струи на лопатку 11. В конце обратного хода коромысло 12 ударяет в упор 9 на корпусе 16, в результате чего корпус с соплами поворачивается на угол 2...30. После удара лопатка 13 вновь попадает в струю воды, и цикл повторяется. В результате происходит прерывистое движение корпуса по окружности. Скорость вращения регулируют предварительным закручиванием пружины 7 с помощью фиксатора 5 и штифта 6. Частота вращения 0, 25...1, 0 мин-1. Для полива по сектору стержень 23 перемещают в нижнее положение (опускают) и фиксируют винтом 25. Угол сектора и направление полива устанавливают соответствующим разворотом упорных колец 22.
Дальнеструйные дождевальные аппараты
Отличаются главным образом конструкцией механизмов вращения. В отдельных конструкциях для вращения дальнеструйных дождевальных аппаратов (ДДА) используют: механическую энергию от ВОМ трактора, кинетическую энергию струи, разрежение воздуха на выходе струи из сопла, реактивную силу струи.
Механический привод от ВОМ трактора состоит из шестеренчатого и червячного редукторов или червячного редуктора и храпового механизма. Его применение ограничивается только тракторными дождевальными машинами.
Кинетическая энергия струи, вылетающей из сопла, используется в разборных переносных установках и широкозахватных машинах. Их выполняют в двух вариантах: с качающимся в вертикальной плоскости коромыслом (ныряющей лопаткой) и с вращающейся турбинкой.
Дальнеструйный аппарат с качающимся коромыслом (рис.1, е) вследствие своей простоты находит наибольшее распространение в стационарных системах. Основные его узлы: корпус 33, ствол 34, сопло 37 и коромысло 39 с лопаткой 40. Лопатка имеет двойную кривизну, т. е. в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Поэтому струя воды, вышедшая из сопла 37, ударяясь о лопатку 40, не только отклоняет ее вниз (на угол до 120°), но и поворачивает в сторону на угол 2...6° (в зависимости от напора). Противовес, расположенный по другую сторону от оси 36 коромысла 39, возвращает лопатку 40 в струю, и цикл повторяется. Лопатка не только поворачивает ствол, но и выполняет роль дефлектора. Когда она входит в струю, то орошается площадь вблизи аппарата, когда выходит из нее, орошается площадь, удаленная от аппарата.
В аппарате с турбинкой обеспечивается круговое вращение ствола с помощью турбинки, лопасти которой входят в струю воды выбрасываемую через сопло. От турбинки через два червячных, редуктора, кривошипно-шатунный и храповой механизмы вращение передается червяку, который обкатывается вокруг червячного колеса, закрепленного на неподвижном корпусе, и приводит во вращение ствол. Скорость вращения ствола регулируют изменением входа лопаток турбинки в струю. В процессе работы турбинка отсекает часть струи, обеспечивая тем самым хороший полив зоны, расположенной вблизи аппарата. Однако это приводит к снижению дальности полета струи на 25...30%.
Механизм вращения, работающий за счет разрежения, создаваемого струей. Сопло такого дождевального аппарата заканчивается диффузором (расширяющейся насадкой). Поток воды, проходя узкое сечение диффузора, образует зону вакуума. Эту зону соединяют трубкой с пневматическим, например диафрагмовым, двигателем, работающим за счет перепада давления между атмосферой и вакуумом в диффузоре. Колебания диафрагмы обычно через храповой механизм приводят в движение ствол аппарата.
Если ось сопла расположить под некоторым углом к оси ствола или отнести ее в сторону, то возникнет реактивный момент, который может быть использован для вращения ствола дождевального аппарата. Дальнеструйные дождевальные аппараты, вращение которых основано на этом принципе, обычно оборудуют специальными тормозными устройствами, воспринимающими разность между вращающим моментом от реактивной силы струи и моментом трения вращающихся частей аппарата. Наиболее распространены гидравлические и механические тормозные устройства. Гидравлический тормоз обычно представляет собой шестеренчатый или иной ротационный масляный насос, перегоняющий масло по замкнутому каналу, сопротивление которого регулируется вентилем или краном.
Изменяя сопротивление, регулируют частоту вращения ствола дождевального аппарата.
