地埋式自升起開放流道型低功耗噴頭研發

2017-03-22 02:58:32謝崇寶張國華魯少華盧文娟謝瑞環

中國農村水利水電 2017年1期

謝崇寶，張國華，魯少華，盧文娟，謝瑞環

(1.中國灌溉排水發展中心，北京 100054；2.北京中灌綠源國際咨詢有限公司，北京 100054；3. 河海大學，南京 210098；4.中灌潤茵(北京)節水灌溉設備有限責任公司，北京 101302)

1 研發目的

噴灌技術是一種農田高效節水灌溉技術，其能夠使水噴灑均勻，在當今農事作業中具有廣泛的應用。現有技術多采用旋轉式噴頭來進行噴灌作業，其噴射效果對于噴灌效率具有重要的意義。園林綠化中常采用齒輪驅動噴頭旋轉實現旋轉噴灌，但這種噴頭對水質的要求較高，而鋼珠驅動旋轉的噴頭裝置提高了這類噴頭的抗堵塞性。同時為了實現較遠射程的噴灑作業，一般需要在噴水口處設置專門的導流器或流道，而現有技術提供的旋轉噴頭中的流道多為封閉式，如此將在噴頭達到特定射程時，需要更大的工作壓力，進而造成高能耗，此外，該封閉式流道容易造成堵塞，當整體噴頭埋設于耕作層以下時，生產上需要對制造工藝提出更高要求。為了解決現有技術存在的問題，亟須研制一種不宜堵塞、能夠與地埋式升降機構配合使用且局部水頭損失較小的流道開放的旋轉噴頭。

2 設計方案

2.1 結構設計

本文研發的地埋式自升起開放流道型低功耗噴頭在借鑒前述地埋式自升起機構研究成果的基礎上，創新研發一種開放流道實現低功耗和防堵塞的功能，整體結構如圖1所示。主要包括地埋機構，進水管、旋轉臺、連接柱、自旋噴嘴等部件。

1-地埋機構；101-外管；1011-第二環形擋板；102-內管；1021-第一環形擋板；103-下連接頭；1031-進水口；2-噴灌機構；201-進水管；2011-連接段；2012-過渡段；2013-主體段；202-旋轉臺；203-連接柱；204-自旋噴嘴；2041-弧形管道；20411-弧形開口；2042-錐形擋板；205-裙狀穩定板圖1 地埋式自升起開放流道型低功耗噴頭結構圖

如圖1所示，在內管102的下管口外周緣上設置有一圈第一環形擋板1021，第一環形擋板1021與外管101的內壁可滑動地密封接觸；外管101的上管口內周緣上設置有一圈第二環形擋板1011；當內管102向上運動至預定位置時(即向上運動至上限時)，第一環形擋板1021與第二環形擋板1011相抵接觸。

進水管201作為進水通水部件，呈兩端開口的管狀結構，進水管201通過地埋機構1與地下進水管201道相連通。如圖1所示，進水管201包括自上而下順次連接的連接段2011、過渡段2012和主體段2013；連接段2011和主體段2013的內腔均呈圓柱形，過渡段2012的內腔呈圓臺形，并且過渡段2012內腔的直徑由下自上逐漸減小。其中，主體段2013的內徑與過渡段2012的最大內徑相等，連接段2011的內徑與過渡段2012的最小內徑相等。在連接段2011的外壁上設置有一圈凹槽，以在連接段2011上形成凹槽段，旋轉臺202上設置有與凹槽段相配合的旋轉通孔，同時凹槽段穿過旋轉通孔。其中，旋轉臺202上旋轉通孔的內徑稍大于凹槽段的外徑，如此可便于旋轉臺202的轉動，同時，該連接段2011的外徑均大于旋轉臺202上旋轉通孔，以使該旋轉臺202穩定地套在凹槽段上。

旋轉臺202可轉動地套裝在進水管201上部，多個連接柱203的下端固定在旋轉臺202的頂面上，上端固定在錐形擋板2042的底面上，該旋轉噴嘴的縱向射流孔與進水管201的上管口相對。

自旋噴嘴204包括多個弧形管道2041和多個錐形擋板2042，弧形管道2041的側壁上沿中軸線方向設置有一個縱向的弧形開口20411，以使弧形管道2041的內腔形成開放流道。多個弧形管道2041的底部繞圓周方向封閉式結合，以形成自旋噴嘴204的錐形底部，同時在該自旋噴嘴204的錐形底部設置一個縱向射流孔。多個弧形管道2041的頂部從該自旋噴嘴204的錐形底部沿徑向向外發散，每個弧形管道2041繞相同方向扭曲預定角度，以在開放流道內對水流形成偏心推動力，相鄰兩個弧形管道2041的側壁端部之間連接有一個錐形擋板2042。自旋噴嘴204的錐形底部設置的縱向射流孔僅僅用于在地埋狀態時使水流形成射流，進而濕潤周圍的土壤，而待噴灌機構2位于地表以后，因為沒有了土壤的阻力，水流將傾向于進入無阻礙的開放流道進行噴灑，而不會從該縱向射流孔中射出。該縱向射流孔位于多個弧形管道2041的底部之間的各連接點繞成的小徑圓形的圓心處，并且該自旋噴嘴204的錐形底部除了該縱向射流孔之外的部分均為封閉的。

為了保證旋轉臺202在旋轉時的穩定性，旋轉噴頭還包括裙狀穩定板205，裙狀穩定板205的頂部固定在旋轉臺202的底部，并且旋轉臺202下方的進水管201位于該裙狀穩定板205的內部腔體內，同時進水管201的中軸線與裙狀穩定板205的中軸線相重合。

連接柱203為空心連接柱，以使噴頭輕量化，進而便于使灌溉水的噴射流容易地推動自旋噴嘴204旋轉。通過將空心的連接柱203的由上自下地斜切，以使空心的連接柱203形成對稱的斜面空心柱體，在應用時，使該斜面空心柱體的小弧端部連接錐形擋板2042，同時使該斜面空心柱體的大弧端部連接旋轉臺202，如此不僅進一步降低了該旋轉噴頭的重量，同時還保證了連接柱203作為支撐體的支撐穩定性。

2.2 技術特點

根據前述結構設計，地埋式自升起開放流道型低功耗噴頭具有以下優點：一是水流在開放流道內形成偏心推動力推動噴頭旋轉，從而使開放流道兼備導向機構功能，其內并不存在阻礙水流的結構，不易發生堵塞；二是開發流道能很好地穩定水流的流態，并且使其具有更好的霧化效果和更低的局部水頭損失，節約能源；三是流道開口向下，不僅有利于與地埋式自升起機構的組裝配套，而且整體設備埋設于地下的情況下更不易被泥土或砂石堵塞。

3 工作原理及工作流程

在非灌溉狀態時，該旋轉噴頭埋于耕作層以下的土壤中，同時該地埋機構1中的內管102和噴灌機構2均位于外管101內，并且該地埋機構1中的下連接頭103與地下供水管道相連通。如圖2所示。

圖2 設備地埋時結構示意圖

在進行灌溉作業時，首先，有壓的灌溉水依次由地下供水管道、進水管201、自旋噴嘴204的錐形底部設置的縱向射流孔射出，濕潤周圍的土壤，以便于使自旋噴嘴204邊旋轉邊上行切割其頂部的土壤。同時，有壓灌溉水推動內管102在外管101中向上運動，進而推動該噴灌機構2在地埋機構1中向上運動直至其完全頂出地面以上，該狀態下的旋轉噴頭的結構如圖3所示。待噴灌機構2完全暴露在地表以上時，由于不再有土壤的阻力，此時水流將由地下供水管道、進水管201射入自旋噴嘴204的各個開放流道，由于弧形管道2041繞相同方向扭曲預定角度，如此將使開放流道內對水流形成偏心推動力，該偏心推動力推動旋轉臺202繞進水管201旋轉，進而使該旋轉噴頭實現邊旋轉邊噴灑的效果。

圖3 設備灌溉時結構示意圖

4 產品及技術性能指標

根據前述產品結構設計，結合實際生產工藝，生產出可以實際應用的產品，如圖4所示。

圖4 地埋式自升起開發流道型低功耗噴頭

經檢測，本裝置達到了國家標準GB/T22999-2008的要求，其中噴頭密封性：噴頭泄漏量不大于試驗壓力下出水栓流量的2%；噴嘴接口密封性：泄漏量不大于噴頭流量的0.25%；耐壓性能：在2倍最大工作壓力下保持1h，噴頭及其零部件不損壞，不出現泄漏；有效噴灑半徑：有效噴灑半徑偏差不大于±5%；噴頭流量：噴頭流量的變化量不大于±5%；水量分布特性：水量分布特性符合GB/T19795.1-2005中7.3的規定；噴灑均勻度：不低于0.75；轉動穩定性：在整個工作壓力范圍內，噴頭能始終正常工作；啟動壓力：0.1～0.5 MPa。