Водомеры 

Объемные водомеры измеряют объем или вес жидкости, пропущенной за время между двумя отсчетами, и служат для измерения малых расходов жидкости. Основной частью таких водомеров является резервуар, протарированный по объему или весу. Если зафиксировать время начала заполнения резервуара Т1, и время окончания наполнения Т2, при известном объеме резервуара V0, то объемный расход жидкости Q по трубопроводу, из которого она выпускалась в мерный резервуар, будет равен Объемные водомеры просты по устройству, но имеют большие размеры и применяются в лабораторных условиях для тарировки и контроля скоростных водомеров. 

7. Колено-водомер 

Колено-водомер—простейшее устройство для измерения расхода воды по трубопроводу. Определение расхода воды при помощи колена основано на измерении разности давлений, образующейся у выпуклой и вогнутой внутренних поверхностей колена. Известно, что в криволинейных каналах скорость течения вызывает особое явление, величина которого довольно жестко связана с расходом. 

Именно, при повороте потока развивается центробежная сила, повышающая давление у вогнутой стенки и понижающая его у выпуклой. Расход при этом довольно строго пропорционален квадратному корню из разности давлений. При движении жидкости по колену (рис. 147) со скоростью Vr на радиусе r масса элементарной частицы, равная - , создает центробежную силу  -; она оказывает на соседнюю по радиусу частицу давление . Из этого выражения видно, что частицы при той же скорости создают тем большее давление, чем меньше радиус пути частицы. Благодаря различной кривизне колена по выпуклой и вогнутой поверхности образуется и разность давлений. Этот перепад давлений измеряется дифманометрами, подключенными к измерительному колену по схеме, изображенной на рис. 148. 

В коленах-водомерах нет дополнительных потерь напора, для их установки не требуется дополнительное место. В качестве водомеров могут быть использованы стандартные чугунные колена, установленные в любой плоскости. Благодаря этим преимуществам измерение расхода воды при помощи колен, несмотря на меньшую его точность, имеет большое практическое значение. 

Перед коленом должен быть прямой участок длиной не менее 5 диаметров, а после колена — не менее 3 — 5 диаметров трубопровода.

Расход воды, проходящей через колено, может быть определен по формуле , где D — внутренний диаметр колена в мм; R0 — радиус закругления колена в мм; 

h — перепад давления по прибору в мм рт.ст.; —объемный вес воды в кг/м3; — коэффициент, средняя величина которого близка к единице; Для колен с = 0,95 – 1,5 следует принимать . Точность измерения расхода с помощью колена-водомера около 5%» 

8. Измерение расхода способом гидравлического удара 

Этот способ измерения основан на теоретических и опытных исследованиях проф. Н. Е. Жуковского. На рис. 149 изображена схема измерения расхода способом гидравлического удара. При перекрытии задвижки в конце трубопровода скорость воды уменьшается или становится равной нулю при полном закрытии. 

Силы инерции останавливающейся воды временно повышают давление как непосредственно перед задвижкой, так и вдоль всего трубопровода. Если до закрытия в установившемся режиме в двух последовательных сечениях трубопровода (I и II) из-за разных сечений или из-за потерь на трение существовала положительная или отрицательная разность давлений Р2 —Р1 то за время остановки воды эта разность будет больше на какую-то переменную величину ДР. 

Взятый за время закрытия задвижки и остановки воды интеграл произведения переменной силы давления (т. е. произведения разности давлений на площадь) на элемент времени даст импульс силы, который может быть замерен прибором. Этот импульс по теореме об изменении количества движения должен быть равен соответствующему уменьшению количества движения, т. е. произведению останавливающейся между сечениями массы воды на теряемую скорость. 

По размерам трубопровода эта масса может быть вычислена. Если задвижка закрывается полностью, то потерялась воя скорость, которая может быть подсчитана по остальным известным величинам. Если задвижка закрывается неплотно, то вычисление даст не всю скорость, а лишь разность скоростей и расходов до и после закрытия. Способ гидравлического удара применим для трубопроводов постоянного и переменного сечения. 

9. Точечный способ измерения скоростей и расходов в трубопроводах 

Этот способ применяется при лабораторных и промышленных исследованиях. Для измерения скорости в точке применяются разнообразные трубки Пито (рис. 150 а, б, в) Работа трубки Пито заключается в следующем. Поскольку полная энергия потока в любой точке потока выражается двумя величинами — статическим и скоростным напором , то по измеренным H и Нст можно определить скорость потока в данной точке: . 

Простейшая форма трубки Пито показана на рис. 150а. Она устанавливается отверстием 0,3 d прямо против потока жидкости или газа. Благодаря такой установке в трубке с отверстием 0,3 d отражается полное давление H. В другой трубке с отверстием 0,1 d устанавливается статическое давление. Если обе трубки с отверстиями 0,3 d и 0,1 d присоединить к коленам дифференциального манометра, то в последнем установится перепад давления, пропорциональный разности H — Hст. Если бы проходящая мимо отверстия 0,1 d вода не оказывала подсасывающего действия, то формула для V давала бы точное значение скорости.

Но подсасывающее действие воды вызывает необходимость вводить поправочный коэффициент  путем тарировки: . Обе трубки соединяются с дифманометром. Гидроманометрическая трубка вставляется в центр трубы, а концы ее выводятся наружу для соединения с показателем расхода. Гидроманометрические трубки измеряют расход только в одной точке живого сечения трубопровода, требуют точной установки по центру последнего, легко засоряются и могут давать ложные показания. Канд. техн. наук JI. Я. Цикерман разработал новый тип измерителя расхода — напорную интегрирующую трубку, пригодную для трубопроводов диаметром от 75 до 1000 мм и более и микротрубку для трубопроводов малых диаметром от 6 до 50 мм. 

Цилиндрические трубки Пито (рис. 150 6), называемые цилиндрическими зондами, в отличие от торцевых, не имеют ни колена, ни носика к позволяют измерять величину и направление скорости. Эта трубка, выполненная в виде полого цилиндра, имеет в некотором сечении, перпендикулярном ее оси, три отверстия, причем два боковых симметричны относительно среднего. Трубка вводится в трубопровод через один сальник. 

На внешнем конце трубки укрепляется лимб для измерения угла направления скорости. При работе среднее отверстие устанавливается против направления потока и фиксирует полный напор Н, а два боковых отверстия в таком положении измеряют статический напор. При работе трубка устанавливается против потока поворотом в координатнике до полного выравнивания давлений в боковых отверстиях (равенство давлений в боковых отверстиях свидетельствует о том, что центральное отверстие установлено против потока). 

Шаровая трубка Пито (рис 150в) состоит из шарика (d = 6—38 мм), насаженного на конце цилиндрической трубки. В шарике имеется пять отверстий; четыре из них расположены попарно симметрично по бокам среднего, имеющего ось, перпендикулярную к оси штанги. Каждое отверстие ведет к трубке дифференциального манометра. Для замера статического давления боковые отверстия должны быть отодвинуты от среднего приблизительно на 42°. 

При установке шаровой трубки против потока последняя поворачивается в координатнике до тех пор, пока перепад давлений в боковых отверстиях не станет равным нулю. Шаровая трубка позволяет измерять величину и направление скорости пространственного потока. При измерении расходов с помощью трубки Пито необходимо измерять распределение (поле) скоростей в рассматриваемом мерном сечении путем измерения скорости в каждой точке сечения. 

10. Солевой способ измерения расхода 

Если нет водомера, то определить расход можно путем введения в водовод определенного количества какого-нибудь растворимого вещества, например, поваренной соли. Предложим, что по химическому анализу содержание NaCl в воде — 4 мг/л. Начнем впускать во всасывающую трубу насоса по 100 см3 солевого 5-процентного раствора каждую секунду. В насосе прибавленный раствор перемешается со всей водой. 

Взяв пробу за насосом из напорного водовода, найдем, что содержание соли увеличилось до 22 мг/л. Содержание соли в Q л искомого расхода было Q 4 мг, а стало Q 22 мг. Разность 22 Q — 4 Q = 18 Q, очевидно, соответствует тому количеству соли, какое было прибавлено в 1 сек: 18 Q = 5 г = 5000 мг, отсюда . 

11. Манометры и вакуумметры 

Ни одна насосная станция не должна работать без манометра. Основной частью прибора является изогнутая по дуге круга манометрическая трубка. Один конец трубки прикреплен к коробке манометра и оканчивается обычно шестимиллиметровой трубкой с нарезкой для соединения с испытуемой трубкой или приборам. Другой конец трубки закрыт и может свободно передвигаться. Трубка имеет эллиптическое сечение. 

При повышении давления внутри трубки эллиптическое сечение стремится превратиться в круглое и вследствие этого свободный конец трубки отклоняется вверх. Можно объяснить это явление иначе. Вогнутая поверхность трубки меньше выпуклой поверхности, следовательно, выпуклая сторона испытывает большее давление, чем вогнутая, благодаря чему трубка разгибается, т. е. свободный конец ее отводится в сторону и вверх. При появлении разрежения внутри трубки она будет под действием атмосферного давления сворачиваться, ее свободный конец будет двигаться вниз и внутрь. 

Движение свободного конца путем разных рычажных приспособлений передается стрелке манометра или вакуумметра (рис. 151а). Манометры надо проверять раза два в год. Прибор для проверки схематически показан на рис. 1516. Плунжер 1 нагружают гирями определенного веса. Масло, наполняющее прибор, передает давление манометру 2, ввинченному в нарезку прибора. Показания стрелки манометра должны соответствовать нагрузке плунжера, выраженной в килограммах на квадратный сантиметр. 

При разногласии показаний следует вводить поправочный коэффициент. Точность манометра — 2%.Манометр показывает, обеспечивают ли насосы достаточное давление в трубопроводе. При разрыве трубопроводов по показанию стрелки манометра определяют падение давления. Для записи показаний манометра пишущее перо прикрепляют к концу трубки (манометра, а перед пером устанавливают круглый диск, вращающийся непрерывно часовым механизмом. К диску прикрепляют разграфленную бумагу, на которой перо чертит линию, характеризующую напор, создаваемый насосом. 

12. Усовершенствование арматуры насосных станций 

Задвижки и обратные клапаны, применяемые на насосных станциях в течение более полстолетия, в настоящее время надо признать устарелыми. Есть новые, более совершенные конструкции. Усовершенствованный обратный клапан. На рис. 152 а, б показана в плане и разрезе конструкция усовершенствованного обратного клапана с масляным тормозом и противовесом 2, уменьшающим потерю напора на поддержание клапана в висячем состоянии во время открывания. Время закрывания клапана регулируется масляным тормозом 1. Кроме рычага с грузом 2, вал клапана имеет еще другой • рычаг 3, который упирается свободным концом в головку штока поршня масляного тормоза 4. 

В поршне масляного тормоза имеется одно узкое отверстие — без клапана, другое широкое отверстие — с клапаном, открывающимся только при движении поршня вверх. При давлении же вниз масло вытесняется с нижней стороны поршня в верхнюю через узкое отверстие, благодаря чему поршень может опускаться только медленно, а следовательно, так же медленно закрывается и клапан. Рычаг с грузом 5 служит для поднятия поршня после открывания клапана, что выполняется быстро благодаря большому отверстию в поршне, снабженному клапаном. Узкое отверстие можно регулировать, ввинчивая в него сменные калиброванные трубочки. Этот клапан может применяться против гидравлических ударов. 

Если к оси клапана приделать червячную или зубчатую передачу, то клапан может служить и запорным приспособлением вместо задвижки. Кольцевые задвижки. Примененные впервые для очень больших водоводов гидротехнических установок кольцевые задвижки начали применяться и на водопроводах. На рис. 153 изображена кольцевая задвижка: вверху — в открытом положении, внизу — в закрытом. 

Цилиндрическая запорная часть 1 вдвигается и выдвигается из неподвижной внутренней части 2, прикрепленной ребрами 3 к наружной трубе. Запорное бронзовое кольцо упирается в коническое кольцевое седло 5 и плотно к нему пригнано. Передвижение задвижки производится посредством конической зубчатой передачи. Нарезная втулка 4 навинчивается на винт запорной части. Отверстие 6 служит для впуска и выпуска воды при передвижении задвижки. 

На рис 154 изображено гидравлическое управление кольцевой задвижкой. Путем перемещения поршня в водяном цилиндре 1 задвижка открывается и закрывается. Эта же задвижка служит и для измерения расхода. Кольцевое сужение 2—2 играет роль сужения в трубе Вентури. Две трубки от отверстий 3 и 2 подводятся к измерительному прибору, как и в водомере Вентури. 

Кольцевые задвижки гораздо легче в управлении, чем клиновые задвижки, так как трение уплотняющих поверхностей отсутствует, благодаря чему и уплотняющие кольцевые поверхности мало изнашиваются. Вследствие плавности движения струй воды в кольцевых задвижках и при частичном открывании не образуется вихрей и связанных с этим сотрясений. Кольцевая задвижка может быть сконструирована и так, что она служит одновременно обратным клапаном. В последнее время появились конструкции, совмещающие задвижку и обратный клапан и основанные на том же принципе. 

На рис. 155 изображен обратно-запорный клапан Корниенко. Клапан служит для запирания трубопроводов и одновременно может работать как обратный автоматический (например, на напорной магистрали центробежного насоса). Клапан 1 заключен в кожух, состоящий из нижней части 2 и верхней 3. Клапан движется по оси тока жидкости по нижнему 4 и верхнему 5 направляющим, составляющим одно целое с соответствующими частями корпуса. 

Для удобства и точности обработки концы клапана, скользящие в направляющих 4 и 5, сделаны отъемными. Клапан имеет посередине прорезь 6, сквозь которую проходит винт 7 с клином 8. Винт приводится в движение маховичком 9 от руки. Для уплотнения стержня винта имеются грундбукса 10 и сальник 11. Ход клина направляется, кроме винта, еще направляющим 12, укрепленным в нижней части корпуса. Для спуска воды из напорной коммуникации в пространство до клапана служит перепускной кран 13 с ручкой 14. Этот кран уплотнен сальником 15. 

С началом прохождения жидкости через прибор клапан силой струи прижимается к седлу на верхней части корпуса 3 и совершенно прекращает проход жидкости. Для пропуска жидкости через прибор вращают маховичок 9 с винтом 7. Клин 8 нажимает на клапан 1, отодвигает его от верхней части прибора 3 и тем освобождает проход жидкости. При внезапном прекращении подачи жидкости через прибор клапан весом столба жидкости, находящейся над ним, прижимается плотно к нижней части клапана 2, что совершенно исключает возможность обратного хода жидкости. Для выпуска жидкости из верхней части коммуникации служит кран 13. 

Запирается клапан при помощи клина и винта, причем закрывание клапана происходит силой проходящей струи жидкости, а открывание — вручную, с помощью описанного выше устройства. Конический или пробковый затвор. Запорным приспособлением новейшей конструкции является усовершенствованный пробковый кран большого размера. При повороте такого крана трение об уплотняющие кольца корпуса было бы очень велико, поэтому перед поворотом запорный конус приподнимается и затем только начинает поворачиваться, не касаясь уплотняющих колец корпуса. После поворота на 90° конус снова садится на свое место. Поворот и подъем производятся одним и тем же стержнем с нарезкой при ручном управлении или штоком поршня при гидравлическом управлении. 

На рис. 156 показан в двух проекциях пробковый кран с гидравлическим цилиндром. Фланцами 1 затвор соединяется с водоводом. В подшипниках 2 и 3 вращается ось 4 затворного конуса; она проходит через сальник корпуса. Выдвижение конуса из его гнезда производится гайкой 5, которая не двигается вдоль оси, а только вращается, поэтому при вращении она передвигает конус, навинчиваясь на нарезку оси. При движении вверх поршень 6 поворачивает своим роликом 7 подъемный рычаг 8. В это время поворотный рычаг 9 не двигается, потому что ролик 7 движется параллельно вырезу рычага и начнет поворачивать его, только когда дойдет до поворота выреза. При дальнейшем движении штока поворачиваются оба рычага до конца хода поршня; при этом конус, повернувшись на 90°, садится в свое гнездо обратным поворотом гайки 5. 

При обратном ходе поршня таким же способом производится закрывание затвора. Гайка 5 двойная, благодаря чему и достигаются выдвижение в начале и посадка в конце хода поршня. В гидравлических цилиндрах все описанные запорные приспособления могут выполнять роль обратного клапана и, как увидим из дальнейшего, предохранительного клапана. Кольцевая задвижка и пробковый затвор легко закрываются и открываются вручную.