主副流道旋轉(zhuǎn)微噴頭的研制和性能測(cè)試

姜 新，溫 季，郭樹龍，孫東軒(.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 45300；.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 00054)

我國是世界上水資源相對(duì)貧乏的國家之一，人均占有量少，僅相當(dāng)于世界人均水平的1/4，排名第121位[1]。水資源緊缺成為制約我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的主要因素之一，農(nóng)業(yè)是用水大戶，農(nóng)業(yè)用水約占全國總用水量的70%，灌溉用水約占農(nóng)業(yè)用水的90%，農(nóng)業(yè)用水的有效利用率僅占40%左右，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨水資源越來越匱乏及用水效率低下的境況[2]。我國頒布的《全國農(nóng)業(yè)節(jié)水綱要(2012-2020年)》中，提出到2020 年，全國新增節(jié)水灌溉工程面積0.2 億hm2，其中新增高效節(jié)水灌溉工程面積0.1 億hm2以上。因此，隨著節(jié)水增糧工程等政策扶持力度的加大，微灌技術(shù)在國內(nèi)有著巨大的發(fā)展空間和潛力[3,4]。

微噴灌技術(shù)是一種有效調(diào)節(jié)作物水分的先進(jìn)灌溉技術(shù)，噴水時(shí)霧化程度較高，可以調(diào)節(jié)土壤溫度，能較好地控制地表的濕度和溫度，減少病蟲害的發(fā)生，提高作物的品質(zhì)與產(chǎn)量，因此，在設(shè)施農(nóng)業(yè)和特色農(nóng)業(yè)種植中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。微噴灌為低壓灌溉，近地面噴灑水量，漂移和蒸發(fā)損失小，加之微噴灌是局部灌溉，減少了部分土壤無效耗水，因而節(jié)水，同時(shí)具有節(jié)能、灌水均勻和灌水質(zhì)量高的特點(diǎn)，微噴灌不僅具有噴灌和滴灌的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了二者的主要弊端[6]。微噴頭可分為固定式微噴頭和旋轉(zhuǎn)式微噴頭。 固定式微噴頭包括折射式、縫隙式和離心式等；旋轉(zhuǎn)式微噴頭在水流的沖擊力作用下可以360°全圓旋轉(zhuǎn)。微噴頭的流道大于滴頭，出流形式為噴灑狀態(tài)，抗堵塞性能好于滴灌[7]。微噴灌采用微噴頭將水流以細(xì)小的水滴噴灑在作物附近進(jìn)行灌溉，微噴頭以其適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)水效果好等優(yōu)點(diǎn)受到全世界廣泛采用[8]。

微噴頭是微噴灌的關(guān)鍵設(shè)備，微噴頭性能直接影響到灌水質(zhì)量的高低、灌溉系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定性。因此，國內(nèi)外十分重視對(duì)灌水器的研制和開發(fā)。目前，國內(nèi)尚無微噴頭噴灑方面的技術(shù)規(guī)范，市場(chǎng)銷售的產(chǎn)品絕大多數(shù)微噴頭都是仿造國外大公司的產(chǎn)品，質(zhì)量差異較大。因此，研究開發(fā)的主副流道旋轉(zhuǎn)體利用不同的流道控制不同遠(yuǎn)近的灌溉水量，主流道控制遠(yuǎn)處的水量，副流道控制近處的水量，大大提高了噴灑的均勻度，同時(shí)保證了旋轉(zhuǎn)體的重心處在旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)的中心線上，克服了轉(zhuǎn)動(dòng)過程中抖動(dòng)大的現(xiàn)象。產(chǎn)品的研發(fā)對(duì)提高國產(chǎn)品牌的市場(chǎng)化占有率具有非常重要的意義。

1 主副流道微噴頭的研制

1.1 旋轉(zhuǎn)式微噴頭的設(shè)計(jì)

微灌系統(tǒng)中微灌滴頭是重要構(gòu)件，其水力性能對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行有很大的影響。主副流道微噴頭研制需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是設(shè)計(jì)一種噴灑均勻、射程遠(yuǎn)、轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定的全圓微灌噴頭旋轉(zhuǎn)體。旋轉(zhuǎn)體中相向設(shè)置主流道和副流道的流道形式和技術(shù)參數(shù)是旋轉(zhuǎn)體的關(guān)鍵部分。圖1為主副流道微噴頭旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)圖，圖2為主副流道旋轉(zhuǎn)微噴頭和單流道微噴頭實(shí)物對(duì)比圖。

圖1 主副流道微噴頭旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)圖

圖2 主副流道旋轉(zhuǎn)微噴頭和單流道旋轉(zhuǎn)微噴頭實(shí)物對(duì)比圖

主流道、副流道旋轉(zhuǎn)體包括：旋轉(zhuǎn)體，進(jìn)水口、主流道、主流道導(dǎo)水槽、副流道、副流道導(dǎo)水槽和上端轉(zhuǎn)動(dòng)軸組成。主副流道旋轉(zhuǎn)體與支架的連接方式與普通微噴頭相同。旋轉(zhuǎn)體設(shè)置主流道和主流道導(dǎo)水槽和設(shè)置副流道和副流道導(dǎo)水槽；主流道的導(dǎo)水槽的設(shè)計(jì)參數(shù)為：圓弧角度42°，半徑105 mm；副流道的設(shè)計(jì)參數(shù)為：圓弧角度35°，半徑52 mm；考慮到與現(xiàn)有的微噴頭支架的通用性、互換性，主副流道微噴頭旋轉(zhuǎn)體的整體高度與現(xiàn)有微噴頭相同。主流道、副流道在下端的連接處垂懸于噴水嘴上方2 mm處，連接點(diǎn)垂懸端距主流道噴水嘴直徑D的70%，連接點(diǎn)垂懸端距副流道噴水嘴直徑D的30%。副流道的垂直高度是主流道的一半；主流道、副流道的上端采用偏流道，偏流道向相同方向偏轉(zhuǎn)。噴水嘴可設(shè)計(jì)為不同的直徑大小，以滿足不同的流量需求。

主副流道的最外端分別設(shè)計(jì)了偏流道，目的是使得在噴灑中水流經(jīng)過該偏流道時(shí)產(chǎn)生反作用力，從而推動(dòng)主副流道旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，文中的設(shè)計(jì)在主副流道上均設(shè)置了偏流道，也可以僅在主流道上或副流道上設(shè)計(jì)一個(gè)偏流道。

1.2 主副流道微噴頭工作原理

微噴頭噴灑時(shí)，進(jìn)入導(dǎo)流槽內(nèi)的水流經(jīng)旋轉(zhuǎn)體中導(dǎo)水槽導(dǎo)流、折射向外噴灑，主副流道的最外端的偏流道使得在噴灑中水流經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生反作用力，從而推動(dòng)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，形成2個(gè)環(huán)狀的、互相搭接的噴灑區(qū)。

由于主副流道連接點(diǎn)垂懸端距主流道噴水嘴直徑D的70%，連接處垂懸端距副流道噴水嘴直徑D的30%。通過噴水嘴的水量約70%進(jìn)入到主流道，這部分水量主要噴灑在外環(huán)狀區(qū)域范圍；通過噴水嘴的水量約30%進(jìn)入到副流道，內(nèi)環(huán)狀區(qū)域范圍噴灑水量主要由副流道控制。與目前常見的單流道旋轉(zhuǎn)微噴頭相比，由于設(shè)計(jì)了控制不同范圍2個(gè)流道，不僅保證了噴灑區(qū)域內(nèi)水量的均勻性，還可以在滿足噴灑均勻性的前提下，使噴灑的距離更遠(yuǎn)。

1.3 水流噴嘴直徑確定

噴嘴的直徑?jīng)Q定了主副流道旋轉(zhuǎn)體的噴灑水量，噴嘴的直徑按式(1)確定：

(1)

式中：d為噴嘴直徑，mm；q為微噴頭流量，m3/h；μ為噴嘴流量系數(shù)，一般取值0.85～0.95；g為重力加速度，9.81 m/s2；P為工作壓力，kPa。

由于文中的主副流道微噴頭與目前現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)微噴頭相比較，過流量較大，同時(shí)也根據(jù)灌水時(shí)間和不同作物對(duì)需水量的要求，在主副流道的研發(fā)過程中，設(shè)計(jì)了3種規(guī)格的噴嘴直徑，分別為1.5、2.0、2.5 mm。

2 主副流道微噴頭性能測(cè)試

2.1 制造偏差

灌水均勻度是衡量灌水器的一個(gè)重要指標(biāo)。主副流道微噴頭在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)確定之后，灌水均勻度會(huì)受到制造偏差的影響，在微噴頭的設(shè)計(jì)和研發(fā)中，微噴頭的制造偏差也是保證灌水均勻度的重要指標(biāo)。制造偏差測(cè)試按《微灌灌水器-微噴頭》(SL/T67.3-1994)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行[9]。

隨機(jī)選取25個(gè)主副流道微噴頭，在額定工作壓力200 kPa下測(cè)試并記錄各個(gè)噴頭的流量，測(cè)試時(shí)間為30 s，根據(jù)式(2)計(jì)算流量偏差系數(shù)。

(4)

各種規(guī)格的微噴頭制造偏差系數(shù)見表1。

表1 微噴頭制造偏差數(shù)據(jù)計(jì)算表

從表1可以看出，3種噴嘴規(guī)格的主副流道微噴頭Cv值分別為3.36%、3.86%和5.81%，制造偏差在6%以內(nèi)，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不大于7%的要求，并通過了1 500 h的耐久性試驗(yàn)。

2.2 壓力-流量關(guān)系

微噴頭的流量和壓力關(guān)系是評(píng)價(jià)微噴頭水力性能的常用指標(biāo)。為了檢測(cè)3種不同噴嘴直徑的主副流道微噴頭的水力性能，分別對(duì)3種不同噴嘴直徑的微噴頭進(jìn)行壓力-流量關(guān)系測(cè)試，測(cè)試壓力范圍為50～300 kPa。微噴頭的壓力-流量關(guān)系試驗(yàn)在每一個(gè)設(shè)計(jì)壓力都重復(fù)試驗(yàn)3次。微噴頭的壓力-流量關(guān)系按式(5)計(jì)算：

q=kHx

(5)

式中：q為微噴頭流量，L/h；k為流量系數(shù)；H為工作壓力，kPa；x為流態(tài)指數(shù)。

噴嘴直徑1.5、2.0 和2.0 mm的主副流道微噴頭的壓力-流量關(guān)系曲線見圖3，根據(jù)實(shí)測(cè)的壓力、流量數(shù)據(jù)，經(jīng)回歸分析，即可得出式(5)中的流量系數(shù)k和流態(tài)指數(shù)x的值，不同噴嘴直徑的壓力-流量關(guān)系式見表2。

圖3 旋轉(zhuǎn)式微噴頭壓力-流量關(guān)系曲線

噴嘴直徑/mmQ-P關(guān)系式相關(guān)系數(shù)1.5Q=5.01P0.580.9932.0Q=7.90P0.570.9902.5Q=16.89P0.470.988

壓力對(duì)流量影響的敏感程度一般由流態(tài)指數(shù)(x)表示，流態(tài)指數(shù)是小于1的正數(shù)。流態(tài)指數(shù)越小其對(duì)流量影響的敏感程度就越小，液態(tài)指數(shù)越大其對(duì)流量影響的敏感程度越大。當(dāng)流態(tài)指數(shù)小于 0.3時(shí)，可認(rèn)為噴灑裝置是壓力補(bǔ)償式，壓力增加帶來的流量變化不明顯；當(dāng)水流的形態(tài)為層流時(shí)，流態(tài)指數(shù)為1，這時(shí)壓力-流量曲線為直線。由表2可以看出，研發(fā)的主副流道旋轉(zhuǎn)體在3種噴嘴直徑下，流態(tài)指數(shù)在0.47～0.58之間，為全紊流狀態(tài)，為非壓力補(bǔ)償式，且屬于調(diào)節(jié)功能較好的一類。

2.3 噴灑試驗(yàn)

主副流道微噴頭的噴灑試驗(yàn)主要是檢測(cè)噴頭的噴灑水量分布情況和有效噴灑直徑。噴灑水量分布是在將噴頭固定在一定高度時(shí)，通過點(diǎn)噴灑強(qiáng)度繪制的等值線圖。有效噴灑直徑是從噴頭安裝點(diǎn)為圓心向外輻射的多條直線上最遠(yuǎn)噴灑距離，一般最遠(yuǎn)噴灑距離的確定原則是該點(diǎn)的噴灑水量不應(yīng)少于同徑向各點(diǎn)水量的1/10。一般情況下，在滿足噴灑均勻度的條件下，進(jìn)水口壓力越高，噴灑直徑越大。但隨著壓力的增大，會(huì)增加系統(tǒng)中支管、毛管的管材造價(jià)，文中的噴灑試驗(yàn)是在壓力200 kPa下進(jìn)行的。試驗(yàn)在余姚樂苗灌溉用具廠進(jìn)行，試驗(yàn)所用主副流道旋轉(zhuǎn)體隨機(jī)從產(chǎn)品中抽取，并現(xiàn)場(chǎng)裝配不同直徑的噴嘴，本次僅測(cè)試了單一噴頭的噴灑狀況，目的是測(cè)試主副流道旋轉(zhuǎn)體的噴灑距離和單一噴頭在遠(yuǎn)近距離噴灑的水量情況，檢驗(yàn)副流道對(duì)主流道近噴頭處水量的補(bǔ)償。選用3種不同規(guī)格的噴頭，在同一安裝高度0.45 m，同一測(cè)試壓力200 kPa，圖4為3種不同噴嘴直徑的水量分布圖。

圖4 不同噴嘴直徑水量分布圖

3 結(jié) 語

主副流道微噴頭由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所自主研發(fā)，并已取得國家發(fā)明專利。設(shè)置的主噴水流道和副噴水流道，很好地解決了目前常見的單一流道微噴頭在噴灑有效圓形區(qū)域水量沿射程方向的“外多內(nèi)少”的現(xiàn)象。在實(shí)際組合布置中，由于主副流道噴灑克服了單一流道微噴頭噴灑不均勻的特點(diǎn)，可以適當(dāng)加大田間毛管的間距，節(jié)省一次性的工程投入。

噴灑試驗(yàn)表明，主副流道微噴頭噴灑效果良好，性能可靠，擴(kuò)展性強(qiáng)，耐久性好。隨著壓力水頭的增大，相應(yīng)的有效噴灑直徑也隨之增加，壓力水頭與有效噴灑直徑呈正相關(guān)；隨著壓力水頭的增加，流量也會(huì)隨之增加，但增加的程度不大，當(dāng)壓力水頭由200 kPa增加到250 kPa時(shí)，流量僅增加了10%左右，可根據(jù)不同植物的需水要求，通過選用不同直徑的噴嘴達(dá)到增加或減少流量的目的。

對(duì)主副流道微噴頭的實(shí)驗(yàn)研究，主要是針對(duì)研發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行了關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)測(cè)定，下一步可對(duì)其他有關(guān)的技術(shù)參數(shù)做進(jìn)一步試驗(yàn)，如：主副流道旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速與噴灑參數(shù)的關(guān)系、安裝高度與有效噴灑直徑的關(guān)系等。文中研制的3種不同直徑噴水嘴的主副流道旋轉(zhuǎn)體的高度相同，開發(fā)不同高度的旋轉(zhuǎn)體將使得應(yīng)用范圍更加廣泛。

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