旋转喷盘喷头喷嘴直径对喷盘转速和喷灌强度的影响

焦 健，苏德荣，王亚东，罗 琰，李兴福(北京林业大学草地生态与资源研究中心，北京 100083)

0 引 言

中心支轴式喷灌机具有灌溉效率高、覆盖面积广、自动化程度高以及省水省肥等优势[1-3]，在现代草牧业生产灌溉中占据重要地位，在我国以至全世界范围内应用广泛[4,5]。中心支轴喷灌机是一种典型的顶端喷灌模式，即喷头垂直悬挂于冠层以上进行喷灌。为降低能耗，当前中心支轴式喷灌机多使用低压散射式喷头[6]。喷头内部的水流垂直射向喷盘(折射盘)，根据喷盘射流槽的形状，折射水流以特定形态射向喷头四周。而根据喷盘是否能够转动将喷头分为固定喷盘喷头和旋转喷盘喷头[7,8]。相比固定喷盘喷头，旋转喷盘喷头具有更多的优点[7]。以往的研究表明，旋转喷盘喷头的水量分布形态更理想[7,9]，旋转喷盘喷头的喷洒均匀度较固定喷盘喷头高10%左右[10,11]。因此为提高灌溉质量，旋转喷盘喷头的应用越来越广泛。

旋转喷盘喷头中，旋转喷盘连接一个阻尼器以控制喷盘的旋转速度，阻尼器中阻尼脂的浓度决定了喷盘旋转的阻尼力度。已有研究报道了不同阻尼脂浓度对旋转喷盘转速的影响规律，发现阻尼脂浓度越低，喷盘转速越高，且转速越高，喷头的射程越近[12,13]。也有研究对比了两种转速不同的旋转喷盘喷头，结果显示喷盘转速更高的喷头具有更低的射程[14]。而King和Bjorneberg[15]对多种旋转喷盘喷头研究指出，喷盘转速更高的喷头的喷灌强度更高，这容易引起水土流失问题。综合以上研究结果，可见喷盘转速过高会同时引起喷洒范围减小和喷灌强度增加。目前对旋转喷头转速的研究主要以控制阻尼器的阻尼或对比两种型号的旋转喷头为主，而未考虑喷嘴尺寸对其喷盘转速、喷洒半径和喷灌强度的影响。在中心支轴喷灌机实际喷头配置中，通常未考虑喷头阻尼器阻尼的变化。对大型中心支轴式喷灌机，由于输水管路较长，相比靠近中心轴处的喷头，距中心轴较远的喷头相对地面的线速度更大，为了保证沿喷灌机半径方向有满意的喷灌均匀度，沿喷灌机半径方向喷头的喷嘴直径必须逐渐增大[16,17]，以增加流量。

因此本研究旨在不同压力下，测量不同喷嘴直径下中心支轴喷灌机用旋转喷盘喷头的喷盘转速、流量和喷洒半径，并分析其喷灌强度。研究由于喷嘴直径引起的喷盘转速变化规律，以及进一步的转速与流量、喷洒半径和喷灌强度间的关系。

1 材料与方法

1.1 喷 头

试验选用中心支轴喷灌机专用旋转喷盘喷头R3000(Nelson irrigation Co., USA)，并配备了棕色喷盘，此喷头和喷盘将水流折射成为多重倾角的12股水流，喷盘在水流喷射形成的力矩下转动，形成12股转动的水流，并在旋转作用下完成单喷头的全圆喷洒。

试验选用的喷嘴直径分别为2.78、3.97、4.76、5.56、6.35、6.75和7.54 mm，并进行了0.070、0.140和0.200 MPa共3种压力的测量。为保持压力一致，每次更换新喷嘴后均重新调节压力至试验所需值。

1.2 试验装置

试验在开阔的田间条件下进行。一个高2.3 m、长8 m的塔架用于悬挂喷头于离地100 cm高度处。喷头由塑料软管悬挂于塔架横梁中央，其余部分供水管路为PVC管，管径均为25 mm。管路中安装有压力表以及调压阀门以控制入水压，在调压阀之前安装有一个精度为0.5%的电磁流量计测量喷头流量。同时还安装有砂石过滤器以防止喷头堵塞。水源来自于一个地面蓄水池，并由一台最大水压为0.35 MPa、最大流量为6 m3/h的水泵提供加压水。

1.3 测量与数据处理

喷盘转速的测量：以某一股水流旋转360°记录为喷头旋转一圈所用时间，即旋转周期T，采用秒表计时，每次均测量3次并取平均值为本次测量的最终旋转周期。随后利用式(1)将喷头旋转周期换算为每分钟所转圈数，即转速：

(1)

式中：RPM为喷头的转速，r/min；T为喷头的旋转周期，min。

喷头的喷洒半径的测量按照标准GB/T 19795.1-2005[18]进行。喷洒范围由喷洒半径按圆形计算而得，流量直接由电磁流量计测得，并可由以上二者计算得喷灌强度。

所有的测量均在无风或微风条件下进行(<0.9 m/s)。所有压力与喷嘴的处理组合均重复3次。数据处理采用SPSS 20.0 统计软件进行分析(SPSS Inc., Chicago, USA)。

2 结果与分析

2.1 喷嘴直径与转速

不同喷灌压力下，喷盘转速随喷嘴直径的变化规律如图1所示。当压力分别为0.070、0.140和0.200 MPa时，喷盘转速范围为0.431～0.737、0.987～1.639和1.921～3.128 r/min。

图1 喷嘴直径与喷盘转速的关系Fig.1 Relationships between nozzle diameters and rotational speed of spray plate

随喷嘴直径增加，喷盘转速逐渐增加。当喷嘴直径超过5.56 mm后，转速增加的趋势逐渐放缓，此后对应0.070、0.140和0.200 MPa压力时的转速范围分别为0.703～0.737、1.500～1.639和2.949～3.128 r/min。此外，压力越高，当喷嘴直径由2.78 mm增加至5.56 mm过程中，转速的增加速率也越高。再者，如图2所示，压力越强，喷盘平均转速显著越高(P<0.05)。

图2 不同压力下的喷盘平均转速Fig.2 Average rotational speed of spray plate under conditions of different pressure

2.2 流量与转速

图3表示了不同压力下喷头流量与喷盘转速的关系。首先可见在更大的压力下，有更广的流量输出范围，最小流量及最大流量的值均随压力的增加而增加。其次，与喷嘴对转速的影响类似，流量越大则转速越高。对0.070 MPa压力，当流量达到0.837 m3/h时，转速达0.714 r/min后基本不再增加。对0.140 MPa压力，当流量达到1.135 m3/h时，转速达1.500 r/min后基本不再增加。对0.200 MPa压力，当流量达到1.500 m3/h时，转速达3.023 r/min后基本不再增加。且压力越大，转速对流量的变化越敏感。

图3 喷头流量与喷盘转速的关系Fig.3 Relationship between sprinkler discharge and rotational speed of spray speed

2.3 喷嘴直径与喷洒半径

如图4对任意压力，当喷嘴直径小于5.56 mm时，喷洒半径随喷嘴直径的增加而增加，当喷嘴直径为5.56 mm时，喷洒半径达到最大值，当喷嘴直径大于5.56 mm后，喷洒半径则随喷嘴直径的增加而减小。当压力为0.070、0.140和0.200 MPa时，喷洒半径分别为3.60～4.90、5.06～6.54和6.48～7.92 m。

图4 喷头流量与喷灌半径的关系Fig.4 Relationship between nozzle diameters and wetted diameters

2.4 喷嘴直径与喷灌强度

喷灌强度一方面随压力的增加而降低，0.070、0.140和0.200 MPa压力时的喷灌强度分别为5.60～26.31、3.84～19.46和3.10～14.31 mm/h。其中0.070 MPa时的喷灌强度显著(P<0.05)高于0.140和0.200 MPa。另一方面，喷灌强度随喷嘴直径的增加而增加，喷嘴直径越大，喷灌强度的增加速率越快，呈现明显的非线性关系(图5)。

图5 喷头流量与喷灌强度的关系Fig.5 Relationship between nozzle diameters and application intensities

通过归回分析，试验中各压力下喷嘴直径与喷灌强度的关系如式(2)～式(4)所示。

0.070 MPa：

R=17.360 0-7.060 6d+1.083 7d2

R2=0.993P<0.01

(2)

0.140 MPa：

R=12.130 4-5.052 2d+0.786 2d2

R2=0.988P<0.01

(3)

0.200 MPa：

R=3.765 9-1.250 2d+0.355 9d2

R2=0.996P<0.01

(4)

式中：R为灌溉强度，mm/h；d为喷嘴直径，mm。

其中二次项的参数值随压力的减小而增大，表明压力越低，喷灌强度随喷嘴直径增加的速率越快。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

本研究观测得的R3000喷头在不同压力及不同喷嘴直径下的喷盘转速范围为0.431～2.949 r/min。当喷头压力为0.070 MPa时，测得转速范围总体小于以往报道的R3000的转速范围[15]，但当压力增加至0.140 MPa后，转速则与以往研究一致。

以往研究各类旋转喷头喷盘转速与水力性能的报道均指出：喷头的最大喷洒半径与转速成反比[12,13]。此外，在中心支轴喷灌机用非旋转的固定喷盘喷头上的研究表明[8,19]，喷洒半径也是随喷嘴直径增加而增加的。因此，对旋转喷盘喷头而言，喷洒半径是喷嘴直径和转速共同作用的结果。本研究中，当喷嘴直径大于5.56 mm后，喷洒半径开始缩小，表明此时转速对喷洒半径的影响开始起主导作用。因此，对旋转喷头而言，当配置喷嘴大于5.56 mm后，在流量增大的同时伴随着喷灌面积缩小的问题。

灌溉强度过高有引起地表径流和土壤侵蚀的风险[15]。有研究对比两种转速的中心支轴式喷灌机的旋转喷头，结果显示，高喷盘转速的喷头具有更高的最大喷灌强度，且在粉壤土和沙壤土条件下以及近似的流量条件下，转速更高的喷头具有显著更高的产沙量，即造成了更显著的水土流失。

因此，对采用了旋转喷盘喷头的中心支轴喷灌机而言，对于远离中心轴的外侧跨架而言，其配备了更大直径的喷嘴以满足大流量的要求，但同时需注意喷嘴直径增大引起的转速增加、喷洒半径缩小和进而导致喷灌强度增加问题，尤其当喷灌机压力较低时，这一问题将更加突出。在中心支轴喷灌机旋转喷头的配置中，对配置了5.56 mm以上喷嘴的喷头，可考虑适当增加喷头的阻尼，以降低由于喷盘转速过高引起的灌溉强度过高问题。

3.2 结 论

试验测量了中心支轴喷灌机用的旋转喷盘喷头(R3000)不同压力条件下不同喷嘴直径时喷盘转速、流量和喷洒半径，得到以下主要结论。

当喷头压力为0.070、0.140和0.200 MPa时，喷盘的转速分别为0.431～0.737、0.987～1.639和1.921～3.128 r/min。喷盘转速随喷嘴直径增加而增加，当喷嘴直径达到5.56 mm后，3种压力下转速范围分别稳定在0.703～0.737、1.500～1.639和2.949～3.128 r/min内。

喷盘转速随流量的增加而增加，在压力为0.070、0.140和0.200 MPa条件下，当流量分别达到0.837、1.135和1.500 m3/h时，转速分别达到0.714、1.135和3.023 r/min后，转速达基本稳定。且压力越大，转速随流量的变化越剧烈。

在任何压力下，喷嘴直径小于5.56 mm时，喷洒半径随喷嘴直径的增加而增加，当喷嘴直径大于5.56 mm后，喷洒半径则随喷嘴直径的增加而减小。

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