采用噴射器的直升機農藥回收裝置設計

吳益曉

(重慶恩斯特龍通用航空技術研究院有限公司， 重慶 401135)

近兩年，隨著我國部分城市低空的陸續試點開放，直升機在農業領域的應用越來越廣泛，這得益于其在加改裝農噴設備時具有用途廣泛、作業靈活、作業時轉彎半徑較小、對起降場要求低、可在地形較為復雜的作業區作業等特點。同時，直升機飛行時由于螺旋槳會產生下行氣流，可以加速藥液的沉降，進而提高藥液的噴灑質量和藥霧的滲透性[1]。相比傳統機械，使用直升機進行農林植保速度快、效率高、持續效果好，優勢顯著，但也存在以下問題：① 噴灑作業后始終有部分農藥殘留在管路及噴桿中，藥液會通過噴頭滲出，形成滴液現象；② 農噴設備清洗時，一般采用在藥箱中加入清水就地噴灑的方式，通過清水沖走管路及噴桿中殘余的農藥。上述兩種現象均存在使農藥直接流入周邊環境，造成環境污染的風險。針對這一問題，筆者認為可在農噴設備管路中設置農藥回收裝置，采用噴射器結構，通過引射的方式將管路及噴桿中的農藥回收至藥箱，然后通過藥箱的排藥口集中處理，徹底解決農藥流入周邊環境造成污染風險的問題。噴射器結構作為農藥回收裝置的核心，在設計時應著重考慮。目前關于噴射器的研究主要集中在結構參數方面，例如：馬連湘等[2-4]分析了液體噴射器結構尺寸對流動混合特性、阻力特性的影響規律，發現噴射器的噴嘴/混合段直徑比對轉化率和混合效果影響顯著；賴艷萍等[5]通過對兩種不同形式的異形噴嘴和圓形噴嘴在不同壓力下的流量測定，研究了噴嘴噴孔形狀對流量、輸出功率的影響。這些文獻均提供了具有一定參考價值的設計與計算方法，但是并不完全適用于直升機農噴設備農藥回收裝置的設計。因此，筆者根據直升機農噴設備自身的結構特點及技術要求，提出了一種采用噴射器的直升機農藥回收裝置設計方法，計算其性能參數及結構尺寸，并試驗對比分析驗證其準確性，為直升機農噴設備的設計計算提供參考。

1 回收裝置數學模型

1.1 噴射器工作原理

噴射器作為回收裝置的核心結構，主要由噴嘴、接受室、混合室及擴散室等組成，其工作原理如圖1所示。具有一定壓力的工作流體從噴嘴高速射出，在射流紊動擴散作用下將引射流體卷吸入接受室。隨后兩股流體在混合室混合，進行速度均衡，最后在擴散室充分混合后輸出[6-8]。

A.噴嘴; B.接受室; C.混合室; D.擴散器

1.2 回收裝置結構設計

根據直升機農噴設備系統結構形式( 如圖2所示，圖中箭頭表示循環工況時藥液的流向)，將回收裝置設置在三通控制閥與循環管路之間，且緊挨著三通控制閥，同時通過回收管路同噴桿連接。以離心泵輸送的藥液作為工作流體，噴桿及管路中的殘余藥液作為引射流體，在回收裝置中構造一個噴射器結構。當系統處于循環工況時，離心泵將具有一定壓力和流速的藥液通過三通控制閥送入回收裝置。在噴射器的作用下，回收管路連接回收裝置端會產生局部負壓，將噴桿及噴灑管路中殘余的藥液引射至回收裝置，然后與工作流體混合后通過循環管路回到藥箱，實現對殘余農藥的回收。

1.藥箱； 2.桁架； 3.噴嘴； 4.噴桿； 5.離心泵； 6.循環管路； 7.三通控制閥； 8.回收管路； 9.噴灑管路； 10.過濾器； 11.回收裝置； 12.壓力表

圖2 系統循環工況

1.3 噴射器性能參數計算

噴射器的結構雖然簡單，但是內部流體混合過程非常復雜，機理尚不清楚。為了簡化計算做如下假設[9-11]：① 流體的流動為均勻的；② 混合室為圓柱形；③ 噴射器之前工作、引射的流體及在噴射器之后的混合流體的動能忽略不計；④ 工作流體的流量與噴嘴的速度系數值成正比。因此，可以根據非彈性介質的動量定理給出帶擴散器的噴射器的特性曲線方程[9-11]：

式中：ΔpC為噴射器形成的壓力降(Pa)，ΔpC=pC-pH；pC為混合流體絕對壓力(Pa)；pH為引射流體絕對壓力(Pa)；ΔpP為工作流體可用的壓力降(Pa)，ΔpP=pP-pH；pP為工作流體絕對壓力(Pa)；φ1為噴嘴速度系數，一般取0.95；fP1為噴嘴出口截面積(m2)；f3為混合室截面積(m2)；φ2為混合室速度系數，一般取0.975；φ4為混合室入口段速度系數，一般取0.925；υH為引射流體比容(m3/kg)；υP為工作流體比容(m3/kg)；fH2為引射流體在2-2截面所占面積(參見圖1，m2)；μ為噴射系數，為噴射器重要指標之一；φ3為擴散器速度系數，一般取0.9；υC為混合流體比容(m3/kg)。

分析農噴設備的結構限制及技術要求，可確定噴射器性能參數計算的邊界條件：① 過程中流動介質不變，υP=υH=υC；② 由于結構受限，不采用擴撒器，則φ3=0；③ 根據離心泵的出口壓力確定工作流體的壓力pP；④ 殘余藥液不承受外部壓力。

根據上述邊界條件，對式(1)求導，令d(ΔpC)/d(fP1/f3)=0,計算出每個μ對應的最佳截面比(f3/fP1)opt：

式中：

a=φ2

(3)

c=2(1+μ)2

(5)

將最佳截面比(f3/fP1)opt代入式(1)，便可求得每個μ對應的相對壓力降，從而繪制出噴射器的μ-ΔpC/ΔpP特性曲線。同時，利用式(6)計算混合室入口截面的靜壓p2，p2是衡量回收能力的重要指標。

1.4 噴射器主要幾何尺寸計算

噴嘴的出口截面面積通常由管道流量來確定：

式中GP為噴嘴前端工作流體流速(kg/s)。

將式(7)的結果代入式(2)，可得混合室截面積f3。喉管徑可按式(8)確定。

式中：lC1為喉管徑(m)；d1為噴嘴出口截面直徑(m)；a為實驗常數，自由流束取0.16。

若混合室截面直徑d3<自由流束直徑d4(如圖1，4-4截面直徑)，則需加長喉管徑，且加長段采用錐形過度。

混合室的長度按式(9)計算

lK=(6～10)d3

(9)

式中lK為混合室的長度(m)。實驗數據表明過長的混合室會使噴射器的工作效率降低，因此一般先取小值。

2 實例計算

筆者以某直升機的農噴設備為例進行計算。已知其額定工作壓力為0.3 MPa，額定流量為4.258 kg/s。根據式(1)～(6)計算得到噴射系數μ與最佳截面比(fP1/f3)opt、噴射壓力降ΔpC/ΔpP、混合流體壓力pC及混合室入口截面的靜壓p2的關系如圖3、4所示(為了便于繪圖，壓力以標準大氣壓為單位)。通過分析可知：① (fP1/f3)opt隨μ增加而增加，當μ>1時開始快速遞增；② ΔpC/ΔpP隨μ增加而遞減，當μ=5時，ΔpC/ΔpP基本趨近于0；③p2隨μ的增加先減小后增加，且變化幅度較小。在設計回收裝置時，根據上述變化規律，同時考慮農噴設備結構尺寸限制以及回收藥液量要求(一般情況回收藥液量要小于離心泵藥液輸出量)，選取一個最優的μ，即使fP1、f3滿足尺寸限制，又使p2滿足回收管路布置的需要。這是一個根據農噴設備自身參數逐步優化的過程。因此，筆者經過多次試算優化，取μ=0.3，代入式(7)～(8)得到主要幾何尺寸，如表1所示。

圖3 μ與(fP1/ f3)opt關系

圖4 μ與ΔpC/ΔpP、pC及p2關系

序號主要幾何尺寸值1fP1/mm21822f3/mm26123lC1/ mm134lK/ mm167

3 試驗分析

p2是農噴設備設計時考慮的重要因數，其值決定了農噴設備農藥回收的能力,因此有必要通過試驗對其影響因數進行分析。對于結構已定的農噴設備，p2主要受pP變化的影響。按圖2安裝試驗設備，采用壓力表測量回收裝置的pP、pC及p2值。通過改變離心泵的轉速顯示其輸出壓力pP的變化，同時記錄回收裝置pC及p2值，并采用式(1)、(2)和(6)分別計算pC與p2值，試驗與計算的結果如圖5所示。

圖5 pP對p2與pC的影響

由圖5可知：① 當pP增加時，pC逐漸變大，p2則逐漸變小，且兩者的試驗值與計算值基本相符；② 對比圖4，pP對p2的影響明顯大于μ對p2的影響，但是由于農噴設備功率及流量的限制，不可能無限制增大pP，因此一般情況下pP取3～6個標準大氣壓值。

4 結論

1) 由于結構尺寸限制及藥液回收量的要求，回收裝置的μ是小于1的較小值，且受fP1、f3及p2的要求限制，一般可在0.2～0.6的范圍內取值計算。

2) 相比μ，p2受pP的影響更大，但由于系統功率及流量受限，不能無限增大pP來取得較小的p2值，pP一般取3～6個標準大氣壓較為合適；同時，p2還受回收管路高度的限制，因此應綜合考慮選取p2值。

3) 通過試驗證明，基于噴射器的直升機農藥回收裝置設計方法綜合考慮了農噴設備自身結構形式及技術要求，其計算結果與實際相符，為農噴設備的設計提供了參考依據。