從中美旋轉噴頭發明專利技術對比看“反沖轉子旋轉噴頭”的競爭優勢

張 祖 祺

(浙江省寧波市北侖區明州路芙蓉家園9-305室，浙江 寧波 315800)

2013年12月25日，“節水灌溉產業技術創新戰略聯盟、豐田節水灌溉技術研究院、豐田節水院士專家工作站學術研討會”指出：我國節水灌溉產業從無到有已經走過30 a以上，有近千家專業設備企業，但無論從技術研發推廣，還是產品制造安裝看，仍處于初級發展階段，質量性能與西方發達國家差距較大。我國城市缺水已經嚴重到危險的邊緣，但我們的園林節水灌溉技術研發應用及產品制造都非常落后，95%以上城市綠地灌溉仍采用大水漫灌，效率低下。面對水資源日趨緊缺的嚴峻形勢，研討會呼吁“以節水灌溉技術創新守住水資源底線”[1]。

噴頭是節水灌溉的關鍵設備，其結構和水力性能在很大程度上決定了節水灌溉系統的灌溉質量。而噴頭的結構性能涉及流體動力學和精密機械制造等高科技領域，以美國為首的西方發達國家一直致力于噴頭的改進及研究開發，向多功能、節能、低壓方向發展，憑借強大的科技實力不斷取得進步。我國噴灌設備的落后狀態，成為制約發展節水灌溉事業、改善生態環境質量的短板。

2016年中央1號文件《關于落實發展新理念加快農業現代化實現全面小康目標的若干意見》要求：“強化現代農業科技創新推廣體系建設”，“力爭在農業重大基礎理論、前沿核心技術方面取得一批達到世界先進水平的成果”，“重點突破生物育種、農機裝備、智能農業、生態環保等領域關鍵技術”。

面對國人創新節水灌溉技術的熱切期盼，一種可以在農業大田、園林草坪、溫室大棚、廠礦企業、商場賓館、公共場所、私家庭院等處廣泛使用，具有“低能秏、多功能、抗堵塞”特點的“反沖轉子旋轉噴頭”(CN200910302282.X)原創發明專利技術應運而生。這是依靠自主創新，搶占世界節水灌溉技術制高點，把“中國制造”變成“中國創造”的一場深刻革命。

1 世界領先的美國園林灌溉噴頭

美國Hunter 公司是世界最大的園林灌溉噴頭制造開發商之一，其2大王牌產品PGP Rotor和MP Rotator 的技術水平在世界噴頭行業中處于領先地位，至今暢銷不衰。

1.1 PGP Rotor噴頭(美國發明專利號：US 4568024；US 4718605)

埋藏式內水流驅動旋轉噴頭是20世紀80年代初國際上推出的新產品，驅動力的傳遞方式有渦輪、活塞、齒輪等多種。由于噴頭零件的主要材料采用工程塑料，所以具有體積小、重量輕、易于批量生產、造價低等顯著特點，目前已成為世界上最具競爭力的園林灌溉噴頭[2]。

PGP Rotor是美國Hunter公司最早開發的一種往復擺動齒輪驅動埋藏式旋轉噴頭，自1981年問世以來不斷改進和提高，至今仍保持著“世界上銷量第1”的地位。因為世界上其他制造商所生產的齒輪驅動地埋式旋轉噴頭基本上由它演變而來，所以Hunter公司自豪地將它稱為旋轉噴頭行業的“標準”。

(1)工作原理。這是一種直接安裝在進水管上使用的單射線往復擺動埋藏式噴頭。壓力水進入噴頭后，沖擊葉輪產生高速旋轉運動，沿噴嘴往外射出。利用齒輪減速機構來降低噴頭的旋轉速度，利用齒輪換向機構來實現噴頭的往復擺動。

(2)結構特點。

①齒輪減速比高達3 000以上,傳動效率低于50%，能量消耗較大。換向機構的內嚙合齒輪副受力不均勻，影響噴頭工作的可靠性[3]。

②具有止溢功能，可以調節射程和噴灑角度范圍。

③產品結構非常復雜，零件數量多，精度要求高，加工和裝配難度大。

1.2 MP Rotator噴頭( 美國發明專利號：US 6651905 B2)

MP Rotator是一種多射線單向連續旋轉式噴頭，抗風力強，噴灌均勻度高，水花美觀，被Hunter公司稱為“世界上最好的旋轉噴頭”。該噴頭產品及其知識產權原為美國Nelson公司下屬的Walla公司所有，2007年4月20日被Hunter公司收購。

(1)工作原理。這是一種多射線單向連續旋轉式噴頭。進入噴頭的壓力水沖擊轉盤外表的多條徑向噴水槽(通過圓心)，射出后成為多股射線。轉盤在水流沖擊下，產生高速旋轉運動。采用“粘滯阻尼機構”降低轉盤的旋轉速度，使射出的多股射線緩慢旋轉，形成動態水花[4]。

(2)結構特點。

①所謂“粘滯阻尼機構”，就是在轉盤內，用上、下橡膠密封蓋與中心軸圍成一個空腔，里面至少部分地充填黏性硅油。工作時中心軸不動，利用橡膠蓋、硅油隨轉盤旋轉，與中心軸之間相對運動產生的摩擦力矩來降低其轉速。

②因為“粘滯阻尼機構”的阻尼能力有限，所以噴頭流量很小，每次噴灌作業的時間要比普通噴頭延長1倍以上，噴灌效率很低。

③抗風力強，水花美觀，可調節射程和噴灑角度范圍。

④不能單獨使用，必須安裝在專用的壓力調節器或升高管式灑水器上作為“噴嘴”部件工作，增加了使用成本。

2 我國噴頭落后國際先進水平幾十年的現狀有待改變

我國從20世紀70年代中期開始大規模引進噴灌技術，先后開發成功PY系列搖臂式噴頭和PYS系列搖臂式塑料噴頭、PAC40和PAC60垂直搖臂式噴頭等產品。目前國內大田噴灌噴頭的主要產品是1987年引進奧地利鮑爾公司生產線生產的ZY系列金屬搖臂式噴頭及其改進形式[5]。

“田間固定式半固定式灌溉系統關鍵技術設備及產品研制與產業化開發”課題，被國家列為“十五”重大科技專項組織力量攻關，努力跟蹤國外樣機進行改進，因無實質性突破，未能取得灌溉噴頭發明專利授權[6]，在引進、消化、吸收、改進過程中陷入困境。國內噴頭生產企業普遍習慣于拿樣品測繪，進行仿制加工，開展低價競爭，產品功能少、性能差、壽命短、能耗大，以致形成落后國際先進水平幾十年，某些品種長期依賴進口的局面。

我國噴灌技術從一開始引進的著眼點就是農田灌溉，對噴灌技術的研究主要考慮的是農田。這樣一來，我國園林灌溉技術的研究相對滯后，而農田灌溉噴頭并不適用于園林灌溉。雖然后來也有某些高等院校、科研機構和噴頭企業開展園林灌溉噴頭的研究開發工作，但進展緩慢，至今未能改變我國園林灌溉噴頭生產的空白狀態。

與農田灌溉相比，園林噴灌有許多特殊要求。不僅要求噴灑均勻度高，而且要求噴出的水流具有藝術性，以塑造優美水景；要求射程和噴灑角度能夠進行調節，以適應灌區藝術造型需要，不讓水流噴灑到路邊游人身上；在斜坡和山丘地區，為防止閥門關閉后管道內殘存的水從低處噴頭溢出破壞綠化效果，要求噴頭具有止溢功能。還要求噴頭不暴露或少暴露于地面之上，以免受到割草機操作碰撞損壞，最好采用埋藏式安裝，等等。可見，并不是所有的灌溉噴頭都能用于園林灌溉[2]。例如，列為國家“農業科技成果轉化資金項目”的“新型高均勻度全圓旋轉噴頭”、列為國家“十二五”“863”課題項目的“一種高均勻度阻尼旋轉噴頭”等，雖然在噴灌均勻度方面比傳統搖臂式噴頭有所提高，但未能滿足園林灌溉的那些特殊要求，因而不能取代進口噴頭用于園林灌溉。

3 “反沖轉子旋轉噴頭”的創新要點

“反沖轉子旋轉噴頭”(CN200910302282.X)對世界領先的旋轉噴頭技術進行顛覆創新：挑戰美國3大發明專利(US4568024，US4718605，US6651905B2)，取消旋轉噴頭的驅動機構、減速機構和換向機構等3大關鍵部件，零件數量減少50%以上；首創用“反沖轉子4要素”控制噴頭運動的工作原理，改善噴頭節水性能，提高抗風力和噴灌均勻度，并實現在自來水壓力下噴水、噴霧、動態景觀造型等多功能化；擴大噴頭使用范圍，搶占世界節水灌溉技術制高點。

(1)基本結構。“反沖轉子旋轉噴頭”由接頭、小軸、底座、噴嘴、轉子、軸套等基本零件組成，如圖1、圖2所示。不工作時，轉子支承在噴嘴上。工作時，從接頭進入的壓力水通過噴嘴流道，將轉子向上彈出，并沿轉子表面的噴水槽射出噴頭外。轉子采用一次彈出方式時，可制成直立式噴頭；轉子采用2次彈出方式時，可制成埋藏式噴頭。

圖1 噴頭結構簡圖(非工作狀態)

圖2 噴頭結構簡圖(工作狀態)

(2)控制噴頭轉速。轉子的結構像一只陀螺，外表面設有多條中心線偏離圓心的噴水槽。進入噴頭的壓力水沿噴水槽向外噴出時產生的反沖力，對圓心形成一個反沖力矩驅動轉子旋轉，使射出的水流成為多股旋轉射線，如圖3所示。

圖3 噴頭工作原理

反沖力矩可由下式計算：

Mf=FRN

式中：Mf為反沖力矩；F為1條噴水槽產生的反沖力；R為噴水槽偏心距；N為噴水槽數。

控制“F、R、N”這3個參數，就可以控制反沖力矩的大小，從而獲得不同噴灑作業所需要的噴頭轉速。例如：“高速旋轉”可用于噴霧，“低速旋轉”可用于噴水，“零速旋轉”使旋轉噴頭變成固定式噴頭，也可作為噴槍用于噴淋沖洗。

(3)控制噴頭旋轉方向。只要改變轉子噴水槽中心線與以偏心距R為半徑圓相切的位置，就可以改變噴頭的旋轉方向。

(4)提高抗風力。轉子噴水槽仰角的大小影響噴射水流的抗風力，減小仰角可提高噴頭的抗風力。

(5)提高噴灌均勻度。旋轉噴頭的噴灌均勻度，包括圓周方向噴灌均勻度和半徑方向噴灌均勻度2個方面。

①圓周方向噴灌均勻度。圓周方向噴灌均勻度受噴頭旋轉速度均勻度的影響。往復擺動式噴頭的旋轉運動是“加速-最大-減速-最小-停止-反向”的不斷循環，其旋轉速度是不斷變化的，圓周方向的噴灌均勻度較低。“反沖轉子旋轉噴頭”單向連續旋轉，沒有往復擺動循環，工作時噴頭旋轉速度保持不變，因而圓周方向的水量噴灌均勻度要高于搖臂沖擊式及齒輪驅動往復擺動式噴頭。

②半徑方向噴灌均勻度。在工作壓力和流量相同的情況下，噴頭仰角的大小影響到射程的大小和噴灑水量的分布。本發明是多射線噴頭，只要將各條噴水槽的仰角設置成大小不等，就可以顯著提高半徑方向的水量噴灌均勻度。可見，“反沖轉子旋轉噴頭”的噴灌均勻度，無論在圓周方向還是半徑方向，均要高于搖臂沖擊式及齒輪驅動往復擺動式噴頭。

(6)實現多功能化。轉子噴水槽結構包含“槽數N、偏心距R、仰角α、截面積F”等4個要素，稱為“反沖轉子4要素”。本發明通過“反沖轉子4要素”的排列組合，不僅可以控制噴頭的轉速，而且可以控制噴頭的射程、流量、噴灌強度、噴灌均勻度、霧化程度等技術參數。可以像變戲法那樣設計出不同系列的反沖轉子旋轉噴頭產品，實現旋轉噴頭的多功能化。

例如：加大偏心距R獲得高轉速,適當減小噴水槽的截面積,并采用較高的工作壓力,使噴出的水滴在離心力作用下霧化,可以制成“反沖轉子霧化噴頭”； 將噴水槽的仰角α反向設計，可制成“懸掛式反沖轉子噴頭”； 改變反沖轉子的設計參數,以不同股數、不同射程、不同噴灑角度、不同仰角、不同旋轉方向、不同轉速的射線噴水或噴霧,產生奇特的動態景觀效果,可以制成“反沖轉子景觀噴頭”，等。

(7)抗堵塞。本發明霧化噴頭的出水口面積可以超過現有微噴頭及滴灌設備幾十倍，加上轉子工作時的伸縮、旋轉，以及水流對轉子開放式出水槽沖洗等動作，能夠有效地避免噴頭堵塞問題的產生。

(8)擴大使用范圍。美國3大旋轉噴頭發明專利技術的使用范圍僅限于園林灌溉，而本原創發明專利技術將使用范圍擴大到農業大田、園林草坪、溫室大棚、廠礦企業、商場賓館、公共場所、私家庭院等處。

4 “反沖轉子旋轉噴頭”與“傳統反作用式噴頭”的區別

“傳統反作用式噴頭”利用水舌離開噴嘴時對噴頭的反作用力推動噴管旋轉，其結構形式通常有以下幾種：

(1)將噴管彎成一定的角度，使主噴嘴水舌的反作用力不通過噴頭的垂直軸，從而形成一轉動力矩帶動噴管旋轉。

(2)在噴管的左側或右側開小孔，小水舌朝與主噴管垂直方向噴出，帶動噴管旋轉。

(3)在噴嘴前裝一擋片使水舌轉彎，利用水舌偏轉后的反作用力矩帶動噴管旋轉，等等。

“傳統反作用式噴頭”結構一般比較簡單，共同的缺點是，如果作用力矩比較大，轉動太快，射程就會大大降低。如果反作用力矩比較接近于噴頭轉動的阻力矩，工作就很不可靠，尤其是剛開始噴灌時難以起動。為了使轉速不要太快，就要裝置專門的限速器，但是限速器比較復雜，推廣受到限制[7]。

“反沖轉子旋轉噴頭”不僅依靠壓力水沿偏離圓心的噴水槽向外噴出時產生的反沖力矩驅動轉子旋轉，而且利用噴水槽的“槽數N、偏心距R、仰角α、截面積F”4個要素控制噴頭運動，改善噴頭節水性能，實現多功能化，擴大使用范圍，輕而易舉地化解了“傳統反作用式噴頭”因限速器比較復雜，推廣受到限制的難題。

由此可見，雖然“反沖轉子旋轉噴頭”也屬于反作用式噴頭，但在結構特征、工作原理和使用范圍上，與傳統的“反作用式旋轉噴頭”截然不同，因而不能將它們混為一談。

5 中美發明專利旋轉噴頭主要技術參數對比

以進水口直徑3/4英寸作為比較的基礎。進水口直徑是指噴頭進水管道的內徑，確定噴頭的過水能力和工作能力。因為美國2大專利旋轉噴頭的進水口直徑均確定為3/4英寸，所以我們也選定進水口直徑為3/4英寸的“反沖轉子旋轉噴頭”進行比較。現將它們的主要技術參數列出如下。

(1)PGP Rotor噴頭(US4568024；US4718605)。工作壓力206～482 kPa，射程6.7～15.9 m，流量0.11～3.27 m3/h。

(2)MP Rotator噴頭 (US6651905 B2)。工作壓力175～375 kPa，射程2.5～9.1 m，流量0.04～0.96 m3/h。

(3)3/4英寸“反沖轉子旋轉噴頭”(CN200910302282.X)。工作壓力100～250 kPa，射程5～12 m，流量0.1～3.0 m3/h。

“反沖轉子旋轉噴頭”可以采用1/4、1/2、3/4、1、2英寸等多種規格的進水口直徑，制成不同功能、不同技術參數的噴頭產品供用戶選擇使用，而這是上述美國2大專利旋轉噴頭不可能做到的。

6 “反沖轉子旋轉噴頭”的競爭優勢

運用“反沖轉子旋轉噴頭”原創發明專利技術，可制成不同安裝方式、不同功能、不同系列、不同規格的噴頭，供廣大用戶選擇使用，還可為特殊用戶的需要量身定制。產業化后將在以下領域發揮競爭優勢，克服現有噴灌、微灌、滴灌設備的諸多弊端，推動行業產品升級換代。

(1)走向廣闊農田，成為大田節水灌溉的主力軍。能耗低,可在自來水壓下進行大田固定式、或移動式噴灌作業。抗風力強，克服了現有旋轉噴頭刮風時水點漂移,甚至無法噴灌的弊端。適用于我國西部地區“干旱、少雨、多風、蒸發量大”的環境，進行低壓、低位、抗漂移、抗蒸發噴灌，對貫徹和落實西部大開發戰略決策具有重大現實意義。

(2)走進園林草坪、城鎮小區、賓館商場、私人庭院等處，成為生態環境的美容師，為實施《國家新型城鎮化規劃(2014-2020年)》，改善環境質量，建設“藍天常在、青山常在、綠水常在”的美麗中國貢獻力量。只要通上自來水就能工作，無須安裝水泵加壓，可節省大量資金，有利于改變我國園林、草坪、小區采用人工澆灌“水漫金山”嚴重浪費水資源的現狀。可采用埋藏式或直立式安裝，能調節射程和噴灌角度，以滿足噴灌區域形狀多變要求，追求藝術效果和生態效益。選擇噴頭止溢功能,可防止斜坡、山丘地區閥門關閉后，管道內殘流水回流，從低處噴頭溢出浪費水資源，破壞綠化效果。選擇噴頭單獨關閉功能，可防止閥門漏水造成水資源浪費。千姿百態的水花造型可裝扮迷人的風景線，或營造煙霧繚繞的人間仙境，令人心曠神怡。細微霧粒中含有大量負離子，增加了空氣含氧量，有益于人們身體健康。可用于賓館商場、私家庭院、立體緑墻、屋頂花園、生態酒店等處，滿足人們改善環境質量，欣賞優美水景的意愿。可以與定時器、電磁閥、控制器配合進行自動定時噴灑作業，或借助于互聯網+，用手機進行遠程智能控制，使主人離家無憂。

(3)走進茶林、果園、溫室大棚，成為綠色農業的保護神,取代微噴頭、滴灌設備進行噴霧加濕、噴藥治蟲、噴水施肥等作業，為石斛、天麻中藥材、食用菌、花卉苗木、綠色蔬菜等經濟作物工廠化栽培行業排憂解難，幫助農民走上脫貧致富的黃金路。具有抗堵塞功能，避開微噴頭、滴灌等設備因出水孔小易堵塞的不治之癥。可噴霧或噴毛毛雨，其水滴粗細可選擇，粗可達毫米級，細可達微米級，以滿足不同栽培作物的要求。噴灑角度可以選擇，其噴灑范圍可以超過同等壓力微噴頭10倍以上。消除了滴灌設備“鹽分積累”和“水量分布不均”等缺陷對栽培作物造成的損害，有助于提高作物產量。

(4)走向環境治理第一線，成為防塵降溫的好幫手，用于廠礦企業噴霧降塵、治理霧霾，或不適宜安裝空調設備的露天作業場所、加油站、候車亭、動物園、旅游點等處防塵降溫；也可用于雞、鴨、豬、羊等禽畜養殖場所防塵降溫、沖洗污物、噴藥消毒，改善衛生環境，防止傳染病產生；還可用于服務站沖洗汽車，或生產車間清洗零件，等。可在自來水壓力下進行噴毛毛雨或噴霧作業，生產成本和使用成本遠遠低于現有高壓噴霧或清洗設備。

水資源短缺和生態環境惡化是人類面臨的共同危機，推行節水灌溉、改善生態環境，已成為世界各國政府和人民的必然選擇。“反沖轉子旋轉噴頭”2016年8月被“第十一屆中國西安國際科學技術產業博覽會暨高新技術成果交易會”授予“優秀科技成果獎”，經有關部門審定為《十三五重點領域科技成果》和《十三五重點領域扶持項目》，產業化后將結束我國旋轉噴頭落后國際先進水平幾十年的歷史，產生巨大的經濟效益和社會效益。

[1] 萊蕪市豐田節水灌溉器材有限公司，以節水灌溉技術創新守住水資源底線[EB/OL].[2014-01-14]. Http:∥www.lwftjs.com.

[2] 蘭才有，馮大明. 從雨鳥園林灌溉噴頭看我國的差距[J]. 節水灌溉，1998,(3).

[3] 黃科顯，苗玉彬，滿志恆，等. 基于黏性阻尼的埋藏式旋轉噴頭限速系統的研究[J].機械設計與制造，2007,(11).

[4] Hunter. 可調圓弧、可調流量噴頭：美國，6651905 B2[P]. 2003-11-25.

[5] 嚴海軍，劉竹青，王福星，等. 我國搖臂式噴頭的研究與發展[J]. 中國農業大學學報，2007,12(1).

[6] 李久生，康國義，黃修橋，等. 噴灌系統關鍵設備研制與產業化進展[R]. 太原：2004年中國節水農業科技發展論壇，2004-11-17.

[7] 武明仁. 灌溉排水[M].北京：中國農業出版社，1994:78.

[8] 孫正國. 中國貢獻----十三五重點領域科技成果匯編[M]. 北京：中國新聞聯合出版社，2017:26-27.