主副流道旋转微喷头的研制和性能测试

姜 新，温 季，郭树龙，孙东轩(.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南 新乡 45300；.中国灌溉排水发展中心，北京 00054)

我国是世界上水资源相对贫乏的国家之一，人均占有量少，仅相当于世界人均水平的1/4，排名第121位[1]。水资源紧缺成为制约我国国民经济的发展的主要因素之一，农业是用水大户，农业用水约占全国总用水量的70%，灌溉用水约占农业用水的90%，农业用水的有效利用率仅占40%左右，我国农业发展面临水资源越来越匮乏及用水效率低下的境况[2]。我国颁布的《全国农业节水纲要(2012-2020年)》中，提出到2020 年，全国新增节水灌溉工程面积0.2 亿hm2，其中新增高效节水灌溉工程面积0.1 亿hm2以上。因此，随着节水增粮工程等政策扶持力度的加大，微灌技术在国内有着巨大的发展空间和潜力[3,4]。

微喷灌技术是一种有效调节作物水分的先进灌溉技术，喷水时雾化程度较高，可以调节土壤温度，能较好地控制地表的湿度和温度，减少病虫害的发生，提高作物的品质与产量，因此，在设施农业和特色农业种植中得到了广泛的应用[5]。微喷灌为低压灌溉，近地面喷洒水量，漂移和蒸发损失小，加之微喷灌是局部灌溉，减少了部分土壤无效耗水，因而节水，同时具有节能、灌水均匀和灌水质量高的特点，微喷灌不仅具有喷灌和滴灌的优点，而且克服了二者的主要弊端[6]。微喷头可分为固定式微喷头和旋转式微喷头。 固定式微喷头包括折射式、缝隙式和离心式等；旋转式微喷头在水流的冲击力作用下可以360°全圆旋转。微喷头的流道大于滴头，出流形式为喷洒状态，抗堵塞性能好于滴灌[7]。微喷灌采用微喷头将水流以细小的水滴喷洒在作物附近进行灌溉，微喷头以其适应性强、节水效果好等优点受到全世界广泛采用[8]。

微喷头是微喷灌的关键设备，微喷头性能直接影响到灌水质量的高低、灌溉系统的可靠和稳定性。因此，国内外十分重视对灌水器的研制和开发。目前，国内尚无微喷头喷洒方面的技术规范，市场销售的产品绝大多数微喷头都是仿造国外大公司的产品，质量差异较大。因此，研究开发的主副流道旋转体利用不同的流道控制不同远近的灌溉水量，主流道控制远处的水量，副流道控制近处的水量，大大提高了喷洒的均匀度，同时保证了旋转体的重心处在旋转体转动的中心线上，克服了转动过程中抖动大的现象。产品的研发对提高国产品牌的市场化占有率具有非常重要的意义。

1 主副流道微喷头的研制

1.1 旋转式微喷头的设计

微灌系统中微灌滴头是重要构件，其水力性能对系统的设计和运行有很大的影响。主副流道微喷头研制需要解决的关键技术问题是设计一种喷洒均匀、射程远、转动稳定的全圆微灌喷头旋转体。旋转体中相向设置主流道和副流道的流道形式和技术参数是旋转体的关键部分。图1为主副流道微喷头旋转体结构图，图2为主副流道旋转微喷头和单流道微喷头实物对比图。

图1 主副流道微喷头旋转体结构图

图2 主副流道旋转微喷头和单流道旋转微喷头实物对比图

主流道、副流道旋转体包括：旋转体，进水口、主流道、主流道导水槽、副流道、副流道导水槽和上端转动轴组成。主副流道旋转体与支架的连接方式与普通微喷头相同。旋转体设置主流道和主流道导水槽和设置副流道和副流道导水槽；主流道的导水槽的设计参数为：圆弧角度42°，半径105 mm；副流道的设计参数为：圆弧角度35°，半径52 mm；考虑到与现有的微喷头支架的通用性、互换性，主副流道微喷头旋转体的整体高度与现有微喷头相同。主流道、副流道在下端的连接处垂悬于喷水嘴上方2 mm处，连接点垂悬端距主流道喷水嘴直径D的70%，连接点垂悬端距副流道喷水嘴直径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转。喷水嘴可设计为不同的直径大小，以满足不同的流量需求。

主副流道的最外端分别设计了偏流道，目的是使得在喷洒中水流经过该偏流道时产生反作用力，从而推动主副流道旋转体旋转，文中的设计在主副流道上均设置了偏流道，也可以仅在主流道上或副流道上设计一个偏流道。

1.2 主副流道微喷头工作原理

微喷头喷洒时，进入导流槽内的水流经旋转体中导水槽导流、折射向外喷洒，主副流道的最外端的偏流道使得在喷洒中水流经过时产生反作用力，从而推动旋转体旋转，形成2个环状的、互相搭接的喷洒区。

由于主副流道连接点垂悬端距主流道喷水嘴直径D的70%，连接处垂悬端距副流道喷水嘴直径D的30%。通过喷水嘴的水量约70%进入到主流道，这部分水量主要喷洒在外环状区域范围；通过喷水嘴的水量约30%进入到副流道，内环状区域范围喷洒水量主要由副流道控制。与目前常见的单流道旋转微喷头相比，由于设计了控制不同范围2个流道，不仅保证了喷洒区域内水量的均匀性，还可以在满足喷洒均匀性的前提下，使喷洒的距离更远。

1.3 水流喷嘴直径确定

喷嘴的直径决定了主副流道旋转体的喷洒水量，喷嘴的直径按式(1)确定：

(1)

式中：d为喷嘴直径，mm；q为微喷头流量，m3/h；μ为喷嘴流量系数，一般取值0.85～0.95；g为重力加速度，9.81 m/s2；P为工作压力，kPa。

由于文中的主副流道微喷头与目前现有的旋转微喷头相比较，过流量较大，同时也根据灌水时间和不同作物对需水量的要求，在主副流道的研发过程中，设计了3种规格的喷嘴直径，分别为1.5、2.0、2.5 mm。

2 主副流道微喷头性能测试

2.1 制造偏差

灌水均匀度是衡量灌水器的一个重要指标。主副流道微喷头在结构设计参数确定之后，灌水均匀度会受到制造偏差的影响，在微喷头的设计和研发中，微喷头的制造偏差也是保证灌水均匀度的重要指标。制造偏差测试按《微灌灌水器-微喷头》(SL/T67.3-1994)行业标准要求进行[9]。

随机选取25个主副流道微喷头，在额定工作压力200 kPa下测试并记录各个喷头的流量，测试时间为30 s，根据式(2)计算流量偏差系数。

(4)

各种规格的微喷头制造偏差系数见表1。

表1 微喷头制造偏差数据计算表

从表1可以看出，3种喷嘴规格的主副流道微喷头Cv值分别为3.36%、3.86%和5.81%，制造偏差在6%以内，小于标准规定的不大于7%的要求，并通过了1 500 h的耐久性试验。

2.2 压力-流量关系

微喷头的流量和压力关系是评价微喷头水力性能的常用指标。为了检测3种不同喷嘴直径的主副流道微喷头的水力性能，分别对3种不同喷嘴直径的微喷头进行压力-流量关系测试，测试压力范围为50～300 kPa。微喷头的压力-流量关系试验在每一个设计压力都重复试验3次。微喷头的压力-流量关系按式(5)计算：

q=kHx

(5)

式中：q为微喷头流量，L/h；k为流量系数；H为工作压力，kPa；x为流态指数。

喷嘴直径1.5、2.0 和2.0 mm的主副流道微喷头的压力-流量关系曲线见图3，根据实测的压力、流量数据，经回归分析，即可得出式(5)中的流量系数k和流态指数x的值，不同喷嘴直径的压力-流量关系式见表2。

图3 旋转式微喷头压力-流量关系曲线

喷嘴直径/mmQ-P关系式相关系数1.5Q=5.01P0.580.9932.0Q=7.90P0.570.9902.5Q=16.89P0.470.988

压力对流量影响的敏感程度一般由流态指数(x)表示，流态指数是小于1的正数。流态指数越小其对流量影响的敏感程度就越小，液态指数越大其对流量影响的敏感程度越大。当流态指数小于 0.3时，可认为喷洒装置是压力补偿式，压力增加带来的流量变化不明显；当水流的形态为层流时，流态指数为1，这时压力-流量曲线为直线。由表2可以看出，研发的主副流道旋转体在3种喷嘴直径下，流态指数在0.47～0.58之间，为全紊流状态，为非压力补偿式，且属于调节功能较好的一类。

2.3 喷洒试验

主副流道微喷头的喷洒试验主要是检测喷头的喷洒水量分布情况和有效喷洒直径。喷洒水量分布是在将喷头固定在一定高度时，通过点喷洒强度绘制的等值线图。有效喷洒直径是从喷头安装点为圆心向外辐射的多条直线上最远喷洒距离，一般最远喷洒距离的确定原则是该点的喷洒水量不应少于同径向各点水量的1/10。一般情况下，在满足喷洒均匀度的条件下，进水口压力越高，喷洒直径越大。但随着压力的增大，会增加系统中支管、毛管的管材造价，文中的喷洒试验是在压力200 kPa下进行的。试验在余姚乐苗灌溉用具厂进行，试验所用主副流道旋转体随机从产品中抽取，并现场装配不同直径的喷嘴，本次仅测试了单一喷头的喷洒状况，目的是测试主副流道旋转体的喷洒距离和单一喷头在远近距离喷洒的水量情况，检验副流道对主流道近喷头处水量的补偿。选用3种不同规格的喷头，在同一安装高度0.45 m，同一测试压力200 kPa，图4为3种不同喷嘴直径的水量分布图。

图4 不同喷嘴直径水量分布图

3 结 语

主副流道微喷头由中国农业科学院农田灌溉研究所自主研发，并已取得国家发明专利。设置的主喷水流道和副喷水流道，很好地解决了目前常见的单一流道微喷头在喷洒有效圆形区域水量沿射程方向的“外多内少”的现象。在实际组合布置中，由于主副流道喷洒克服了单一流道微喷头喷洒不均匀的特点，可以适当加大田间毛管的间距，节省一次性的工程投入。

喷洒试验表明，主副流道微喷头喷洒效果良好，性能可靠，扩展性强，耐久性好。随着压力水头的增大，相应的有效喷洒直径也随之增加，压力水头与有效喷洒直径呈正相关；随着压力水头的增加，流量也会随之增加，但增加的程度不大，当压力水头由200 kPa增加到250 kPa时，流量仅增加了10%左右，可根据不同植物的需水要求，通过选用不同直径的喷嘴达到增加或减少流量的目的。

对主副流道微喷头的实验研究，主要是针对研发的产品进行了关键的技术参数测定，下一步可对其他有关的技术参数做进一步试验，如：主副流道旋转体的转速与喷洒参数的关系、安装高度与有效喷洒直径的关系等。文中研制的3种不同直径喷水嘴的主副流道旋转体的高度相同，开发不同高度的旋转体将使得应用范围更加广泛。

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[9] SL/T 67.3-1994， 微灌灌水器-微喷头[S].