Классификация гидрометрических вертушек
Гидрометрические вертушки предназначены для измерения скоростей течения в отдельных точках потока. Принцип работы вертушек основан на вращении лопастного винта под действием набегающего потока.
Вертушки классифицируются по способу погружения в воду и по способу регистрации числа оборотов лопастного винта. По способу опускания в воду вертушки делятся на штанговые, тросовые и штанго-тросовые, а по способу регистрации числа выходных сигналов на механические, электрические и магнитоэлектрические.
Для опускания вертушек в точки измерения их закрепляют на штанге или тросе (рис. 1).
Рис. 1. Схемы опускания вертушки в поток:
а – жесткое крепление на штанге; б – подвес на тросе с вертлюгом
1 – вертушка; 2 – штанга; 3 – указатель направления течения; 4 – вертлюг;
5 – трос; 6 – карабин; 7 – гидрометрический груз)
Гидрометрическая штанга представляет собойметаллическую трубу диаметром 25-28 мм. Для удобства перевозки штанги делают составными, из отдельных звеньев длиной 0,5-2,0 м. На поверхности штанги нанесены деления, по которым вертушка устанавливается на требуемой глубине. При работе штанга опирается нижним концом в дно реки, а верхний конец удерживается рабочим (рис. 2а). Внизу штанга снабжается поддоном, а на верхний конец ее надевается указатель направления течения (визир), который входит в комплект вертушки. Указатель применяется для установки вертушки перпендикулярно створу. Визир крепится на штанге так, чтобы его продольная ось совпадала с продольной осью вертушки. Он применяется при измерении скоростей на большой глубине и в мутной воде, когда вертушка сверху не видна. Погружение вертушки в воду на штанге применяют при глубине потока до 3 м.
Рис. 2. Измерение скоростей течения с гидрометрического судна (лодки):
а) погружение вертушки в точку измерения на штанге; б) погружение вертушки на тросе
1 – вертушка; 2 – штанга; 3 – гидрометрическая лебедка; 4 – гидрометрический груз;
5 – трос
При глубинах потока более 3 м используется тросовый подвес с грузом (рис. 1б). В этом случае вертушка крепится на вертлюге и погружается в воду при помощи гидрометрической лебедки (рис. 2б). Для уменьшения отклонения троса от вертикали применяется гидрометрический груз обтекаемой формы.
Вертлюг служит для подвеса вертушки и груза на тросе так, чтобы они были обращены навстречу течению. Вертлюг состоит из стержня с двумя кольцами и вращающейся части, к которой крепится вертушка. Посредством карабинов верхнее кольцо (серьга) вертлюга соединяется с тросом гидрометрической лебедки, а нижнее кольцо – с грузом.
Гидрометрические лебедки независимо от конструкции включают четыре основные части: станину, грузовую стрелу, барабан для троса, счетчик глубин для определения длины вытравленного троса.
Гидрометрические грузы имеют обтекаемую форму, обычно рыбовидную. Масса грузов составляет от 3-5 до 50-70 кг, в зависимости от скорости течения.
При измерении скоростей течения на средних и больших реках, гидрометрическое судно (лодка), с которого ведутся измерения, устанавливается на скоростных вертикалях на двух якорях.
Скорость течения в точке измерения определяется по зависимости скорости течения от числа оборотов лопастного винта, которая называется градуировочной (тарировочной) кривой (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость между числом оборотов лопастного винта и скоростью течения
Эта кривая позволяет указать ряд характерных значений скорости. Величина u0 называется начальной скоростью вертушки – это скорость, при которой вертушка еще не проявляет своих метрологических свойств. Значения скорости uн.п и uв.п, соответственно, нижняя и верхняя границы диапазона измеряемых значений скорости. Скорость uк называется критической и определяется, как то показание вертушки, при котором и выше которого влияние механических сопротивлений на вращение лопастного винта становится незаметным.
Стабильность метрологических свойств вертушки снижается в области малых скоростей 
. На ее показания начинает влиять износ подшипников, засорение механизма, малейшие повреждения оси и лопастей. Влияет и температура воды, от которой зависит вязкость смазки.
График зависимости u(n) устанавливается на заводе-изготовителе в результате градуировочных испытаний, которые проводятся в специальных бассейнах или установках. Рассеяние градуировочной зависимости оценивается в 0,5-2%. Оно определяет случайную инструментальную погрешность измерения скорости течения в точке.
Вертушка ГР-21М
Вертушка ГР-21М (рис. 4) состоит из корпуса, хвостового оперения (стабилизатора), лопастного приспособления (ходовая часть и лопастной винт), сигнального устройства.
Рис. 4. Общий вид вертушки ГР-21М в разрезе:
1 – корпус; 2 – втулка для крепления вертушки на штанге или вертлюге; 3 – зажимной винт; 4 – стабилизатор; 5 – винт крепления стабилизатора; 6 – лопастной винт; 7 – муфта; 8 – ось вертушки; 9 – стопорный винт; 10 – шарикоподшипник; 11 – распорная втулка; 12 – наружная втулка; 13 – осевая гайка; 14 – штепсель; 15 – штепсельное гнездо; 16, 17 – клеммы; 18 – червячная шестерня; 19 – контактная пружина; 20 – винт;
21 – контактный штифт; 22 – диск; 23 – токопроводный стержень
Корпус служит для сочленения частей, крепления прибора на штанге или вертлюге и для подключения сигнальной цепи. В полость передней части корпуса вставляется ось ходовой части и крепится в ней стопорным винтом. В задней части корпуса имеется утолщение для крепления вертушки к штанге или тросу. В средней части расположены две клеммы, к которым подводятся сигнальные провода.
Лопастное приспособление вертушки состоит из неподвижной оси, двух радиально-упорных шарикоподшипников, внутренней и внешней распорной втулки, соединительной муфты с внутренней червячной нарезкой, лопастного винта, контактной камеры (полость на оси вертушки, в которой на одной оси посажены зубчатая шестеренка и эбонитовый диск – “контактный механизм”).
Контактный механизм собран из червячной шестерни с двадцатью зубцами, эбонитового диска, контактного штифта и контактной пружины, винта для ее крепления, электропроводного стержня, изолированного от массы корпуса и соединяющего контактную пружину с гнездом штепселя. Механизм дает одно замыкание электрической сигнальной цепи за один оборот червячной шестерни, что соответствует 20 оборотам лопастного винта.
Сигнальное устройство (рис. 5), состоящее из клеммной панели, звонка, электрической лампочки, переключателя и сигнальных проводов, служит для преобразования электрического импульса в звуковой или световой сигнал.
Вертушка работает следующим образом. Ось вертушки неподвижна. Она закреплена к корпусу винтом 9. Лопастной винт 6 под действием набегающего потока вращается вокруг неподвижной оси в шарикоподшипниках 10. Соединительная муфта 7, ввинченная в лопасть вращается вместе с ним. Вращение винта через червячную нарезку на внутренней поверхности муфты передается зубчатой шестерни 18. Ось зубчатой шестерни закреплена в контактной камере (полость на оси вращения). На одну ось с шестерней посажен эбонитовый диск 22. В канавке диска расположен контактный штифт 21. В канавку укладывается конец контактной пружины 19. Другой конец пружины с помощью винта 20 крепится к изолированному от массы электропроводному стержню 23, который расположен внутри оси вращения вертушки. Стержень оканчивается штепсельным штифтом 14,
Рис. 5. Общий вид вертушки ГР-21М
который входит в штепсельное гнездо корпуса 15. Электрический ток от отрицательного полюса батареи подводится к клемме со знаком минус (-) на клеммной панели ящика и далее по проводу к изолированной клемме вертушки 16, затем к штепсельному гнезду, по электропроводному стержню, по контактной пружине на контактный штифт и на массовую клемму 17. Далее по второму проводу ток идет на клемму панели со знаком плюс (+), от которой через звонок или лапочку – к положительному полюсу батареи. Замыкание электрической цепи происходит в момент касания контактной пружины с контактным штифтом через один полный оборот зубчатой шестерни, что соответствует 20 оборотам лопастного винта. Замыкание цепи фиксируется звонком или лампочкой.
Существенный недостаток вертушки ГР-21 – сравнительно большой интервал между сигналами (20 оборотов), что не позволяет использовать их для исследования пульсации скоростей и ускоренных измерений расходов воды.
Вертушка ГР-99
Вертушка ГР-99 (рис. 6) состоит из корпуса, ходовой части и контактного устройства. Ходовая часть размещена в передней части корпуса и представляет собой трехлопастной винт, установленный на оси и закрепленные гайкой два шарикоподшипника, распорную втулку, гильзу. Ходовая часть крепится к корпусу винтом.
Рис. 6. Общий вид вертушки ГР-99 (в разрезе)
1 – гайка; 2 – трехлопастной винт; 3 – радиальные шарикоподшипники; 4 – ось; 5 – винт для крепления ходовой части к корпусу; 6 – изоляционная втулка; 7 – изолированная клемма; 8 – массовая клемма; 9 – втулка для крепления вертушки на штанге или вертлюге; 10 – зажимной винт; 11 – винт крепления изоляционной втулки; 12 – магнитоуправляемый контакт; 13 – обойма; 14 – постоянный магнит; 15 – гайка;
16 – гильза; 17 – распорная втулка
Главная особенность вертушки заключается в контактном устройстве. Оно состоит из постоянного магнита, закрепленного в обойме на оси ходовой части, и магнитоуправляемого контакта, размещенного в изоляционной втулке, закрепленной в корпусе вертушки. Постоянный магнит при каждом обороте лопастного винта вызывает одно замыкание магнитоуправляемого контакта. В электрическую цепь включен счетно-импульсный механизм, который служит для суммирования электрических импульсов, поступающих от контактного устройства вертушки, и регистрации выдержки времени. Он состоит из электромагнитного счетчика импульсов, стандартного секундомера и рычажного устройства, обеспечивающего синхронное включение и выключение счетчика и секундомера (рис. 7).
Рис. 7. Общий вид вертушки ГР-99
Для подключения сигнальной линии служат две клеммы, расположенные на корпусе, одна из которых изолирована, а другая связана с массой корпуса вертушки.
Вертушка крепится к штанге двумя винтами, расположенными в тыльной части корпуса. Для работы на тросе вертушка укомплектована вертлюгом и хвостовым оперением.
Вертушка морская ВМ-М
Вертушка морская ВМ-М (рис. 8) состоит из следующих основных частей: 1) литой рамы с вертикальной осью подвеса; 2) четырехлопастного винта; 3) переключающего механизма (пусковой и замыкающий механизм); 4) счетчика числа оборотов с механизмом подачи шариков; 5) устройство для регистрации направления течения; 6) руля (хвоста).
Основные части прибора укреплены на раме, которая может свободно вращаться около вертикальной оси на шарикоподшипниках. В нижней части оси имеется ушко для подвешивания гидрометрического груза, в верхней части – подвесное приспособление для закрепления троса. Рама имеет две консоли, на которых крепится защитное колесо лопастного винта для предохранения его от повреждений. Торцы консолей связывает откидная штанга. В середине штанги располагается передний подшипник лопастного винта.
Лопастной винт состоит из трубчатой оси, в которую впаяны спицы с лопастями, расположенными под углом 45°. На оси нарезан червяк, с которым при помощи переключающего механизма сцепляется верхняя шестеренка счетчика оборотов.
Счетчик оборотов представляет собой коробку, в которой располагаются три сцепленные друг с другом шестеренки. С внешней стороны коробки надеты стрелки для отсчета единиц, десятков, сотен и тысяч оборотов. Счетчик соединяется с осью лопастного винта посредством червяка и первой (верхней) шестерни.
Регистратор направления течения состоит из узкой трубочки магазина 7, диска 8 с тремя выемками по окружности, сидящего на оси верхней шестеренки 9 счетчика, нижней трубочки 10 и компасной коробки 11. Трубочка 7 перед наблюдениями заряжается 20-23 бронзовыми шариками. Компасная коробка перегородками 14 разделена на 36 секторов, пронумерованных против часовой стрелки от 0 до 35. Компасная коробка крепится на раме таким образом, что сектор 0° всегда устанавливается в сторону руля (т.е. по направлению течения). В центре коробки укреплена шпилька 12, на которой вращается магнитная стрелка 13, имеющая желобок вдоль северного конца. Крышка коробки 15 откидывающаяся, с отверстием 16 в центре.
Переключающий механизм служит для включения в начале и выключения в конце наблюдений верхней шестерни из зацепления с червяком оси вращения лопастного винта. Этот механизм состоит из барабанчика 19, штока (спускового стержня) 21, муфты 22 и посыльных грузов 23. Включение и выключение производится последовательными ударами посыльных грузов по муфте 22. Помещенная в муфту 22 пружина удерживает ее в крайнем верхнем положении. Посредством ролика, входящего в кольцевую проточку 25 муфты 22, движение последней передается штоку 21.
При возвратно-поступательном движении штока 21 два зубца, находящиеся на его нижнем конце, поочередно освобождают и стопорят барабанчик 19, поворачивающийся каждый раз под действием заключенной в нем плоской пружины на небольшой угол. При этом палец 25 барабанчика, входящий в прорезь планки счетчика, качая счетчик оборотов, вводит или выводит из зацепления верхнюю шестеренку 9 с червячной нарезкой на оси 3 лопастного винта. Зубцы на торце барабанчика 19, находящиеся в зацеплении с зубцами штока 21, позволяют устанавливаться барабанчику в трех положениях: 1 положение – счетчик выключен, 2 положение – счетчик включен и 3 положение – счетчик выключен.
Включение и выключения счетчика оборотов осуществляется следующим образом. Перед опусканием вертушки в воду барабанчик 19 заводится с помощью имеющегося на нем рычажка в направлении снизу вверх. В результате этого палец 25 барабанчика качнет счетчик и верхняя шестеренка счетчика выйдет из зацепления с червячной нарезкой на оси вращения лопастного винта. Счетчик оборотов выключается. После того как вертушка будет опущена на требуемую глубину, посыльный груз с головкой надевается на трос своей прорезью, проведенной и в корпусе, и в головке до центрального отверстия. После этого головка поворачивается на 900, и груз получает возможность скользить по тросу, не сваливаясь с него. Дойдя до вертушки, груз ударяет по муфте 22, последняя опускается и освобождает барабанчик 19, который поворачивается под действием своей пружины. При этом палец 25 барабанчика поворачивает счетчик оборотов 4 на его шарнире и сцепляет верхнюю шестеренку 9 счетчика с червячной нарезкой оси лопастного винта 3, включая счетчик оборотов. При ударе второго посыльного груза муфта 22, поднявшаяся под действием помещенной в нее пружины, опускается и поднимается вновь, отводя счетчик от оси лопастного винта. Стрелки счетчика перестают вращаться, показывая число оборотов лопастного винта за время наблюдения (между ударами первого и второго грузов).
Регистратор направления течения работает следующим образом. Магнитная стрелка компасной коробки устанавливается по магнитному меридиану. Рама вертушки с компасной коробкой ориентируется благодаря наличию руля против направления течения. Лопастной винт вращается под действием течения. При вращении верхней шестерни 9 счетчика, шарики из трубочки-магазина 7 через каждую 1/3 оборота диска 8 (что соответствует 33 1/3 оборота лопастного винта) попадают в выемки на диске и перемещаются к нижней трубочке 10. Из нижней трубочки шарики попадают в отверстие в крышки компасной коробки на чашечку магнитной стрелки 13 и по желобку северного конца магнитной стрелки скатываются в отсек компасной коробки, находящийся в данный момент под северным концом стрелки. Так как магнитная стрелка сохраняет постоянное положение, а весь прибор с компасной коробкой вращается около вертикальной оси, то угол, образуемый магнитной стрелкой с нулевым сектором коробки, будет равен магнитному азимуту направления течения. Таким образом, направление вектора скорости течения располагается под таким углом к магнитному меридиану, под каким углом сектор, в который выпали шарики, расположен относительно нулевого сектора коробки.