НАСАДКА КОРОТКОСТРУЙНАЯ ДЕФЛЕКТОРНАЯ

Предлагаемое техническое решение относится к оросительной технике, в частности к устройствам для создания искусственного дождя, и может быть использовано в дождевальных машинах.
Для достижения с минимальными энергозатратами значений показателей качества искусственного дождя (интенсивности и структуры дождя), близких к агротехническим требованиям, и снижения энергии воздействия капель дождя на почву используются короткоструйные дефлекторные насадки, работающие при давлении 0,05…0,15 МПа (Дождевальные машины / Б.М. Лебедев. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: «Машиностроение», 1977. - 244 с., стр. 23).
Известна насадка короткоструйная дефлекторная кругового действия, преимущественно из металла и с определенными конструкцией параметрами, содержащая корпус, включающий нижнюю часть с внутренней резьбой для навинчивания его на патрубок водопроводящего пояса дождевальной машины, продольный проходной канал, диафрагму с отверстием, изготовленную заодно с корпусом посредством литья и расположенную между нижней и верхней частями, и верхнюю часть, выполненную в виде воронки с окнами. При этом в верхней части воронки укреплена планка с дефлектором в виде конуса с углом при вершине 120°, ось конуса совпадает с осью диафрагмы, а вершина конуса направлена вниз. Причем расстояние от верхней плоскости отверстия диафрагмы до вершины конуса равно диаметру отверстия диафрагмы, а диаметр основания конуса равен двум диаметрам отверстия (Дождевальные машины / Б.М. Лебедев. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: «Машиностроение», 1977. - 244 с., стр.23-24, рис.7, а; Механизация полива: Справочник / Б.Г. Штепа, В.Ф. Носенко, Н.В. Винникова [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1990. - 336 с, стр. 124, рис. 3.1, а; Двухконсольный дождевальный агрегат ДДА-100МА. Руководство по сборке и эксплуатации. - Киев: Изд-во «Реклама», 1970. - 68 с., стр. 13-14, рис. 10).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся низкая технологичность устройства из-за металлоемкости и сложности его изготовления, а также высокая энергия воздействия капель дождя на почву из-за крупности и удельного веса капель. Формируемый дефлектором конусообразный факел дождя в виде сплошной пленки и с нисходящим потоком характеризуется высокой интенсивностью, низкой ветроустойчивостью, малой дальностью полета капель и площадью захвата.
Известна насадка короткоструйная дефлекторная секторного действия, преимущественно из металла и с определенными конструкцией параметрами, содержащая корпус, включающий нижнюю часть с внутренней резьбой для навинчивания его на патрубок водопроводящего пояса дождевальной машины, продольный проходной канал и верхнюю часть с ложкообразным дефлектором, выполненным заодно с корпусом и расположенным под углом 30°…38° к горизонту (Справочник по механизации орошения / Б.Г. Штепа, Н.В. Винникова, С.Х. Гусейн-заде [и др.]; под ред. Б.Г. Штепы. - М: Колос, 1979. - 303 с., стр. 108, рис. 27; Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: Справочник / П.А. Айдаров, К.П. Арент, В.Н. Басс [и др.]; под ред. Б.Б. Шумакова. - М.: Колос, 1999. - 432 с., стр. 75, рис. 4.2).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся низкая технологичность устройства из-за металлоемкости и сложности его изготовления, а также высокая энергия воздействия капель дождя на почву из-за крупности и удельного веса капель. Формируемый дефлектором ложкообразный факел дождя в виде сплошной пленки характеризуется низкой ветроустойчивостью, малой дальностью полета капель и площадью захвата.
Известна насадка короткоструйная дефлекторная секторного действия, преимущественно из пластмассы и с определенными конструкцией параметрами, изготовленная посредством литья прессованием, содержащая многогранный корпус, включающий нижнюю часть с наружной резьбой для ввинчивания его в патрубок водопроводящего пояса дождевальной машины, продольный проходной канал, выполненный в виде конфузора, переходящего в цилиндрический насадок, и верхнюю часть с ложкообразным дефлектором, выполненным заодно с корпусом. При этом дефлектор выполнен в виде двухотвальной гребневой поверхности, расширяющейся при удалении от продольного проходного канала. Причем угол между линией гребня дефлектора и плоскостью, проходящей через площадку под выпускным отверстием, составляет 20°…30°, а угол между касательной к плоскости конечной верхней части дефлектора и той же плоскостью, проходящей через площадку под выпускным отверстием, составляет 40°…60° (Патент №2103865 РФ, МПК A01G 25/02, В05В 1/04, В05В 1/18, В05В 1/26, А01М 7/00, опубл. 10.02.1998).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся высокая энергия воздействия капель дождя на почву из-за крупности и удельного веса капель. Ложкообразный факел дождя из-за неполного покрытия дефлектора двухотвальной гребневой поверхностью формируется сначала в виде струек, а ближе к периферии дефлектора, смыкаясь, в виде сплошной пленки. Факел дождя в виде сплошной пленки, как уже отмечалось, характеризуется низкой ветроустойчивостью, малой дальностью полета капель и площадью захвата.
Известны насадки короткоструйные дефлекторные секторного действия, преимущественно из металла или пластмассы и с определенными конструкцией параметрами, изготовленные посредством литья, содержащие многогранный корпус, включающий нижнюю часть с наружной резьбой для ввинчивания его в патрубок водопроводящего пояса дождевальной машины, продольный проходной канал, выполненный в виде конфузора, переходящего в цилиндрический насадок, и верхнюю часть с дефлектором, выполненным заодно с корпусом. При этом дефлектор выполнен в виде поверхности эллипсоида с внутренней выемкой и с углом обхвата 155°…160° (А.с. №1729603, МПК В05В 1/04, опубл: 30.04.1992; Механизация поливных работ / Д.М. Сандигурский, Н.А. Безроднов. - Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: Колос, 1983. - 288 с., стр. 8-9, рис. 2; Двухконсольный дождевальный агрегат ДДА-100 В. Инструкция по эксплуатации. - Волгоград: Изд-во «Реклама», 1997. - 87 с., стр. 14-15, рис. 13, стр. 82-83, ДДА 01.263).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся высокая энергия воздействия капель дождя на почву из-за крупности и удельного веса капель. Формируемый дефлектором сферический факел дождя в виде сплошной пленки характеризуется низкой ветроустойчивостью, малой дальностью полета капель и площадью захвата.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому устройству и принятому за прототип является насадка короткоструйная дефлекторная секторного действия, преимущественно из металла и с определенными конструкцией параметрами, содержащая корпус, включающий нижнюю часть с наружной резьбой для ввинчивания его в патрубок водопроводящего пояса дождевальной машины и многогранной контргайкой для фиксации его в нужной плоскости, продольный проходной канал, выполненный в виде внешнего цилиндрического насадка, радиальные отверстия и верхнюю часть с плоским дефлектором, выполненным заодно с корпусом и расположенным под углом 30° относительно оси продольного проходного канала, при этом на рабочей поверхности дефлектора выполнены треугольные канавки переменной глубины с шагом, равным максимальной глубине канавки на образующей дефлектора, расположенные в виде веера с углом обхвата 180°, центр веера относительно оси продольного проходного канала смещен в сторону, противоположную образуемого факела дождя, на расстояние, равное диаметру продольного проходного канала (Патент №2361681 РФ, МПК В05В 1/18, опубл. 20.07.2009).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся низкая технологичность устройства из-за металлоемкости и сложности его изготовления. Формируемый дефлектором плоский факел дождя в виде струек из-за формы дефлектора и потерь напора в сторону, противоположную вылету струи, характеризуется малой дальностью полета капель и площадью захвата.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение технологичности устройства и улучшение показателей качества искусственного дождя.
Результатом предлагаемого технического решения является снижение металлоемкости и себестоимости изделия, а также увеличение дальности полета капель дождя и площади захвата дождем.
1
1
1
2
1
2
1
1
3
1
1
1
1
2
1
2
2
1
4
1
Поставленный технический результат достигается тем, что насадка короткоструйная дефлекторная секторного действия, содержащая корпус, включающий нижнюю часть с наружной резьбой для ввинчивания его в патрубок водопроводящего пояса дождевальной машины, продольный проходной канал, выполненный в виде внешнего цилиндрического насадка диаметром d=4…8 мм и длиной l=(3…4)⋅d, радиальные отверстия диаметром d=0,2⋅d, выполненные на расстоянии l=(0,5…1,0)⋅d от острой кромки входного отверстия внешнего цилиндрического насадка, и верхнюю часть с дефлектором, выполненным заодно с корпусом, при этом на рабочей поверхности дефлектора выполнены треугольные канавки переменной глубины h от 0 до 1,5…2,0 мм с шагом, равным максимальной глубине канавки на образующей дефлектора, расположенные в виде веера, причем корпус и дефлектор изготовлены посредством литья прессованием и соединены между собой плоской площадкой длиной l=10 мм и шириной b=(2…3)⋅d, расположенной под выпускным отверстием внешнего цилиндрического насадка и симметричными и равноудаленными от оси внешнего цилиндрического насадка приливами, при этом корпус выполнен в виде многогранника, а дефлектор выполнен в виде криволинейной поверхности радиусом R=10⋅d, шириной b=(3…5)⋅d и глубиной h=3,5…5,0 мм и расположен под углом α=40…60° относительно плоской площадки, при этом треугольные канавки выполнены радиусом R=8⋅d и расположены в виде веера с углом обхвата ϕ=155°…170°, а центр веера смещен в сторону плоской площадки на расстояние l=(1,5…2,0)⋅d.
Причем в качестве пластмассы используется, например, полипропилен стеклонаполненный.
Изготовление корпуса из пластмассы, например из полипропилена стеклонаполненного, посредством литья прессованием в виде многогранника способствует снижению металлоемкости и себестоимости изделия, упрощает монтаж насадки в патрубок водопроводящего пояса дождевальной машины.
Процесс орошения с позиции элементарных составляющих описывается воздействием капли дождя на почвенный агрегат. Это воздействие характеризуется, главным образом, силой или энергией удара, которую математически для капли можно представить в виде (Дождевальные машины / Б.М. Лебедев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: «Машиностроение», 1977. - 244 с. - стр. 89):
к
к
3
где ρ=γ/g - плотность капли, кг/м;
к
3
γ - удельный вес капли, Н/м;
2
g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с;
к
ϑ - скорость движения капли в воздухе, м/с.
Из формулы (1) следует, что основными переменными величинами могут быть плотность и скорость движения капли.
к
к
к
Из теории распада струй известно, что водная капля, движущаяся в воздухе, будет устойчивой до тех пор, пока внешние силы от давления воздуха  не превысят силы внутреннего давления в капле р=4α/d (см. там же - стр. 79):
к
где α - коэффициент поверхностного натяжения капли, Н/м;
в
в
3
ρ=γ/g - плотность воздуха, кг/м;
в
3
γ - удельный вес воздуха, Н/м;
х
С - коэффициент аэродинамического сопротивления воздуха;
к
d - диаметр капли, м.
Скорость движения капли можно определить также из условия равенства ее веса  силе сопротивления воздуха  (см. там же - стр. 79):
Из выражений (2) и (3) после преобразований получим:
Таким образом, для того чтобы снизить энергию воздействия капли на почву, в соответствии с формулой (1), необходимо уменьшить плотность капли и скорость ее движения. Последнее согласно уравнениям (2)…(4) возможно путем уменьшения диаметра капли или плотности и/или поверхностного натяжения капли.
Уменьшение указанных характеристик капли дождя достигается при насыщении ее газом (воздухом), т.е. создании газожидкостной смеси.
В таблице 1 приведены значения коэффициента поверхностного натяжения водопроводной воды до и после насыщения воздухом. Согласно этим данным за счет диспергирования воздуха в воду можно снизить коэффициент ее поверхностного натяжения до 8-9% (Изменение поверхностного натяжения воды под действием различных физических факторов / Н.А. Мамедов, Г.И. Гарибов, Ш.Ш. Алекберов [и др.] // Прикладная физика. - 2016. - №6. - С. 20-23).
Плотность газожидкостной смеси в соответствии с формулами:
ж
г
3
где ρ, ρ - плотности жидкости и газа, кг/м;
гж
3
V - объем газожидкостной смеси, заполняющей аппарат, м;
г
гм
3
V - объем газа, заключенного в объеме V, м,
снижается при увеличении объема газа в объеме газожидкостной смеси (Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. Ч. I - СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2004. - 848 с. - стр. 514).
3
3
В таблице 2 приведены результаты расчета плотности газо-жидкостной смеси при температуре 20°С (плотность воды 998,2 кг/м, плотность воздуха 1,2041 кг/м).
Известно, что при движении жидкости внутри цилиндрического насадка, имеющего острую входную кромку, образуется сжатое сечение. В сжатом сечении наблюдается вакуум, максимальная величина которого достигает 0,75…0,8 от давления перед насадком. Образование вакуума приводит к увеличению разности напоров и, соответственно, скорости в сжатом сечении струи. Этим объясняется больший, при равном напоре, расход жидкости, вытекающий из насадка, несмотря на то, что отверстие в тонкой стенке имеет тот же диаметр (Справочник по гидравлическим расчетам / П.Г. Киселев, А.Д. Альтшуль, Н.В. Данильченко [и др.]; под ред. П.Г. Киселева. - Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: «Энергия», 1972. - 312 с. - стр. 54).
Соединение сжатого сечения насадка с атмосферой позволит без каких-либо дополнительных энергозатрат осуществлять подсос воздуха в насадок и тем самым образовывать газожидкостную смесь. Учитывая, что истечение струи происходит в атмосферу, ограничив рабочее давление перед насадкой до 1,0 МПа, можно гарантировать, что насадка будет работать полным сечением и срыва вакуума не будет.
Параметры короткоструйной дефлекторной насадки обусловлены следующим:
1
1
1
1) диаметр d=4…8 мм и длина l=(3…4)⋅d внешнего цилиндрического насадка приняты по результатам опыта проектирования дождеобразующих устройств;
2
1
отв
cп
сж
2) диаметр радиальных отверстий d=0,2⋅d принят из условия, что суммарная площадь их сечения должна быть меньше разницы площадей диаметров сопла и сжатого сечения струи (S<S-S);
2
1
3) расстояние от острой кромки входного отверстия внешнего цилиндрического насадка до радиальных отверстий l=(0,5…1,5)⋅d - расстояние, на котором существует область с максимальным вакуумом (Истечение жидкости через насадки в среды с противодавлением / Б.Н. Сиов. - М., Машиностроение, 1968. - С. 140. - стр. 54.);
1
4) канавки треугольной формы глубиной h от 0 до 1,5…2,0 мм с шагом ≈2 мм для насадок с неподвижным дефлектором обеспечивают формирование компактных струек и оптимальные значения истинной интенсивности, дальности полета, размеров, равномерности распределения по орошаемой площади и ветроустойчивости капель дождя (показателей качества искусственного дождя);
1
1
2
1
2
5) дефлектор в виде криволинейной поверхности с конструктивно выбранными параметрами - радиусом R=10⋅d шириной b=(3…5)⋅d и глубиной h=3,5…5,0 мм, с углом обхвата ϕ=155°…170° и со смещенным центром, расположенный под углом α=40…60° относительно плоской площадки за счет ложкообразного факела дождя и отсутствия потерь напора при вылете струи обеспечивает наименьшие энергозатраты на дробление струи, наибольшую дальность полета капель и площадь захвата дождем.
3
1
1
6) плоская площадка, расположенная под выпускным отверстием внешнего цилиндрического насадка, с конструктивно выбранными параметрами - длиной l=10 мм и шириной b=(2…3)⋅d, и симметричные и равноудаленные от оси внешнего цилиндрического насадка приливы обеспечивают необходимую прочность изделия.
В таблице 3 приведен типоразмерный ряд унифицированной коротко-струйной дефлекторной насадки, предназначенной для низконапорных дождевальных машин с давлением перед насадкой от 0,05 до 0,15 МПа и, соответственно, на гидранте 0,35…0,40 МПа (35…40 м).
* Размер выбран исходя из прочности посадочного места.
** Размер выбран конструктивно.
Эти насадки могут применяться на оросительных установках барабанного типа с консолями (например, ДШФ 90 «Агрос», ДШФ 110 «Агрос»), на широкозахватных машинах с пониженным напором (например, «Фрегат-Н», ЭДМ «Кубань-Л», «Кубань-ЛК»), на малогабаритных машинах на базе, например, «Кубань», «Фрегат».
На чертежах: на фиг. 1 изображен вид с боку насадки; на фиг. 2 - вид сверху насадки; на фиг. 3 - сечение А-А; на фиг. 4 - сечение Б-Б.
Насадка короткоструйная дефлекторная секторного действия содержит корпус, включающий нижнюю часть с наружной резьбой, продольный проходной канал, выполненный в виде внешнего цилиндрического насадка 1, радиальные отверстия 2, острую кромку входного отверстия 3 внешнего цилиндрического насадка 1 и верхнюю часть с дефлектором 4, на рабочей поверхности которого выполнены треугольные канавки 5. Корпус и дефлектор 4 соединены между собой плоской площадкой 6 и приливами 7.
Насадка короткоструйная дефлекторная работает следующим образом. Водный поток под давлением 0,05…0,15 МПа, движущийся по водопроводящему поясу дождевальной машины, поступает во внешний цилиндрический насадок 1. Так как кромка входного отверстия 3 внешнего цилиндрического насадка 1 острая, то при входе в него струя воды медленно сужается, отрывается от стенок и создает зону разрежения. Пространство между струей воды и стенками внешнего цилиндрического насадка 1 в зоне разряжения также заполнено водой, находящейся во вращательном вихревом движении при давлении ниже атмосферного. Через радиальные отверстия 2, соединяющие зону разряжения внешнего цилиндрического насадка 1 с атмосферой, производится подсос воздуха, который интенсивно диспергируется в воду, тем самым образуя водовоздушную смесь. После этого струя водовоздушной смеси постепенно расширяется и заполняет все сечение внешнего цилиндрического насадка 1 на выходе. Далее струя водовоздушной смеси в верхней части корпуса ударяется о дефлектор 4, выполненный в виде криволинейной поверхности и с треугольными канавками 5. Струя водовоздушной смеси, разбиваясь о дефлектор 4, отдельными струйками образует ложкообразный факел. При дальнейшем движении в воздухе водовоздушные струйки на некотором участке пути сохраняют сплошность, но затем распадаются и продолжают движение в виде капель. Прочность изделия обеспечивается за счет плоской площадки 6, расположенной под выпускным отверстием внешнего цилиндрического насадка 1, и симметричными и равноудаленными от оси внешнего цилиндрического насадка 1 приливами 7.
3
1
1
1
1
2
1
2
2
1
4
1
Таким образом, повышение технологичности устройства и улучшение показателей качества искусственного дождя достигается за счет изготовления корпуса и дефлектора посредством литья прессованием, соединения их между собой плоской площадкой длиной l=10 мм и шириной b=(2…3)⋅d, расположенной под выпускным отверстием внешнего цилиндрического насадка, и симметричными и равноудаленными от оси внешнего цилиндрического насадка приливами. При этом корпус выполнен в виде многогранника, а дефлектор выполнен в виде криволинейной поверхности радиусом R=10⋅d, шириной b=(3…5)⋅d и глубиной h=3,5…5,0 мм и расположен под углом α=40…60° относительно плоской площадки, при этом треугольные канавки выполнены радиусом R=8⋅d и расположены в виде веера с углом обхвата ϕ=155°…170°, а центр веера смещен в сторону плоской площадки на расстояние l=(1,5…2,0)⋅d.
Данное техническое решение позволяет снизить металлоемкость и себестоимость изделия, а также увеличить дальность полета капель дождя и площадь захвата дождем.