基于卷盘式喷灌机的低压双喷枪喷洒水力特征研究

2019-06-24赵海青吴普特朱德兰冯英俊谭志翔

节水灌溉 2019年6期

赵海青，吴普特，朱德兰，张凯，冯英俊，谭志翔

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

0 引言

卷盘式喷灌机因其节水省工、机动灵活、适应我国耕地分布等特点，成为我国农业灌溉的主要装备之一，也是近年来国内外高效节水灌溉研究的热点，但机组能耗高导致运行费用居高不下是卷盘式喷灌机主要缺点之一[1-10]。Oakes和Rochester[10]的研究发现，将灌溉水均匀喷洒至田间的能耗约为卷盘机组总能耗的一半，故降低喷枪工作压力是降低能耗的首要途径。

许多研究学者针对卷盘式喷灌机能耗问题做了大量研究，严海军[11]经过对100个种粮承包户(曾使用过卷盘式喷灌机的承包户)的调研和对国内外卷盘式喷灌机的对比研究得出，灌一亩地需耗电23度电，约13元电费，喷灌机运行电费比人工费还贵。程俊等[12]通过对JP75水涡轮各过流部件的能耗贡献率的研究分析，优化水涡轮进口结构以及叶片以保证输出效率。葛茂生[13]研究了卷盘式喷灌机组的能耗组成并构建出通用的能耗计算模型，他提出在不牺牲机组灌水质量的前提下适当降低喷头的工作压力是降低卷盘式喷灌机组整体能耗的有效途径。但是，卷盘式喷灌机组一般配备的大流量喷枪所需工作压力均较高，一般喷头的工作压力在0.30 ～0.50 MPa，使得喷灌机组能耗较大，增加喷灌费用。另因我国喷灌机技术方面的缺陷，卷盘式喷灌机软管回收速度无法低于15 m/h运行，不能满足小麦、玉米播种后和抽穗期450～600 m3/hm2的灌水需求[11]。目前市场上喷头车主要以单喷头配置为主，但因其压力高、能耗大等问题，喷头车的配置又出现了桁架式双喷头和多喷头配置。张会娟[14]、粘克威[15]等分别通过对卷盘式喷灌机单喷头车的受力分析，结合理论力学分析，设计出几种联动双喷头装置，使喷头喷射水反作用力的合力方向始终与输水管方向一致。目前针对卷盘式喷灌机组能耗问题的研究主要集中于低压喷头开发与配置、水涡轮工作效率等系统参数上[9,12,16-18]，但喷头工作压力的降低在一定程度上会影响喷洒域，因此，有必要开展降低喷头工作压力但不影响喷洒幅度和喷灌质量的灌水技术。

本文在对低压条件下单喷枪的水力性能进行测试的基础上，提出低压双喷枪喷洒方式，达到降低能源消耗、增大喷灌机喷洒域、减少喷灌机喷洒次数、提高生产效率的目的。

1 材料与方法

1.1 试验装置

选取市场上常用的大流量摇臂式喷头“HY 50”喷枪，在西北农林科技大学旱区节水农业研究院操场进行单喷枪在不同工作压力(0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 MPa)下移动水量分布测定试验，试验装置如图1所示。喷枪安装高度为1.65 m，调节喷洒域中心角180°，牵引喷头车至操场东端尽头，垂直于喷灌机行走方向呈射线状布置三排雨量筒，距喷枪距离1 m处开始摆放雨量筒，雨量筒间隔为2 m。

图1 移动水量分布测定试验装置图Fig.1 Test device diagram for mobile water distribution

1.2 喷灌均匀度计算

根据的移动水量分布数据，模拟计算两个“HY 50”喷枪以12 m间距组合时的叠加水量分布，进而采用Christiansen[19]公式计算低压双喷枪在不同组合间距下的组合喷灌均匀性系数：

(1)

式中：Cu为克里斯琴森均匀性系数；N为典型区域内测点数；hi为典型区域内各测点的喷洒水深，mm；h为典型区域内各测点的平均喷洒水深，mm。

2 结果与分析

2.1 水量分布曲线拟合

水量分布形式随工作压力不同呈现不规则变化，由于试验过程中获取的移动水量分布数据为多个离散测点，不具有连续性，不利于不同喷枪间距的水量分布模拟计算，因此对不同工作压力下的单喷枪移动水量分布进行基于最小二乘法的多项式拟合，得到不同工况下连续的水量分布图形，如图2所示。表2给出了5种工作压力下移动水量分布曲线基于最小二乘法的拟合参数，可以看出五种工作压力下水量分布曲线拟合的相关系数均大于0.97，说明基于最小二乘法的拟合与实测点的数据符合程度较高，故在下文中据此模拟计算双喷枪的水量分布及喷灌均匀度Cu。

2.2 压力对双喷枪水量分布的影响

工作压力对喷枪的水力性能有直接影响，掌握不同压力条件下喷枪的水力性能是研究低能耗灌溉设备的首要途径。图3所示为模拟计算得到的两个喷枪以12 m喷枪间距组合时在0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 MPa工作压力时的水量分布形式，可以看出：喷洒幅宽、喷灌水深均随工作压力的增加而增加，同时，随着工作压力的增加，双喷枪移动水量分布形式逐渐趋向 “三角形”，有利于组合喷洒。低压双喷枪在0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 MPa工作压力下的喷洒幅宽分别为30、44、52 和62 m；当喷枪工作压力为0.05 MPa时，双喷枪的水量分布形状近似梯形，这是由于该压力下喷枪射程较小，12 m双喷枪重合范围小，加之喷枪特有的射流粉碎结构，一部分水流经副喷嘴前端涡轮作用洒落在喷枪近处，剩余水流经喷嘴后被分散。各测点喷灌水深峰值和平均值也与压力呈正相关，且喷灌水深峰值均出现在喷灌控制带中部，例如，当工作压力为0.10 MPa时，喷枪的喷灌水深峰值为30.66 mm，平均喷灌水深为14.4 mm，喷洒域中部1/4的喷灌水深相对较高，造成这种情况的原因是两个双喷枪在机行道附近水流交叉，导致该处水量增加。

图2 移动水量分布拟合Fig.2 Fit curve of moving water distribution

工作压力/MPa最小二乘法拟合a6a5a4a3a2a1a0拟合度R20.05019.753×10-4-4.056×10-20.2655-0.9332.28710.650.9730.1002.487×10-4-0.776×10-20.073-0.2780.26914.9060.9920.15-1.167×10-67.541×10-4-1.796×10-20.195-1.0372.12619.3960.9900.2013.630×10-6-10.125×10-42.888×10-2-0.3942.530-6.93127.0160.9880.259.347×10-6-7.763×10-42.461×10-2-0.3672.483-6.52429.5680.986

图3 双喷枪的水量分布效果图Fig.3 Water distribution of double travelling rain guns

2.3 喷头车移动间距对双喷枪喷灌均匀度的影响

喷灌均匀度是衡量灌溉质量的重要指标，影响喷灌均匀度的主要因素有工作压力、喷头类型、组合形式，对于某种指定喷头来说，当工作压力一定时，喷头组合形式即为影响其喷灌均匀度的重要因素。

图4 不同移动间距下的喷灌均匀性系数Fig.4 uniformity coefficient under different combination spaces

图4 所示为12 m低压双喷枪在0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 MPa工作压力时双喷枪的组合喷灌均匀系数随喷头车移动间距的变化情况，可以看出：不同工作压力下喷灌均匀系数均随喷头车移动间距的增大而减小， 0.10、0.15、0.20和0.25 MPa四种工作压力下，当喷头车移动间距分别增大至25、30、35和35 m时喷灌均匀度出现迅速下降趋势，此时相应的均匀性系数分别为0.925、0.958、0.945和0.951，而当喷头车移动间距为35、40、45和45 m时喷灌均匀度为0.723、0.722、0.745和0.743，位于一般情况下喷灌均匀度的临界值(75%)。当喷头车移动间距在10 m和30 m之间时，0.15、0.20和0.25 MPa工作压力下的组合喷灌均匀性系数相差不大，但为保证灌溉效率应使喷头车移动间距取较大值，这是因为喷头车移动间距越小，喷灌均匀性系数越大，但与此同时会导致卷盘式喷灌机灌溉面积减小，田间供水栓数量增加，机组运行次数和喷头车牵引次数增加，从而降低生产效率。

2.4 低压双喷枪田间试验

为验证低压双喷枪组合的可行性，自行研制12 m组合间距的低压双喷枪，在西北农林科技大学曹新庄试验农场进行双喷枪移动水量分布试验，试验装置如图5所示，用JP 75-300型卷盘式喷灌机牵引双喷枪边回收边喷洒，试验设计同1.1。

图5 双喷枪移动水量分布田间实测图Fig.5 Mobile water distribution test of double travelling rain guns in the field

分析12 m双喷枪田间水量分布情况及喷洒幅宽，基于此计算双喷枪喷头车以35 m移动间距喷洒时的平均喷灌水深，表1给出了12 m低压双喷枪在0.25和0.15 MPa工作压力下的喷洒幅宽和平均喷灌水深的试验模拟对比结果，数据显示：双喷枪在0.25和0.15MPa压力下的喷洒幅宽分别为58、54 m，对应的相对偏差分别为6.45%、3.85%，两种压力下的平均喷灌水深对应的相对偏差分别是11.62%、4.94%，总体来说，12 m双喷枪的田间试验结果与预期相符。