CN101716562A - 一种变量喷洒喷头动静片设计方法 - Google Patents

Abstract

一种变量喷洒喷头动静片设计方法，属于节水灌溉喷灌系统中的关键设备的设计方法。具体为：在确定喷头的型号的情况下确定喷头进口直径、喷头进口动静片的外圆尺寸。根据喷洒形状，最大截面积为喷嘴处截面积。根据理论公式得到射程、流量、压力，确定进口截面积变化规律。将其结果采用内切圆方法绘制动静片结构，得到动静片结构图。该设计方法同时适用于其它规则喷洒域形状设计，结构简单，喷洒效果优良。

Description

一种变量喷洒喷头动静片设计方法

技术领域

本发明属于节水灌溉喷灌系统中的关键设备的设计方法，特别是一种变量喷洒喷头动静片设计方法。

背景技术

21世纪将是我国社会经济高速发展的时代，也是水资源供需矛盾空前尖锐的时代。大力发展节水灌溉是解决我国农业用水短缺的根本出路。喷头是影响喷灌灌水质量的关键设备。传统的喷头是以全圆喷洒域摇臂式喷头为主，其性能稳定以及适用范围广而得到广泛应用。但该喷头在单个或单列配置使用时，往往喷洒周界与喷洒地块不配套，造成大量漏喷，超喷与界外喷现象。在组合区域内，全圆喷洒面积叠加不均匀，造成均匀性系数下降。研究能够实现非全圆喷洒喷头具有明显的节水意义。

对于变量喷洒喷头，压力调节装置的设计有很多种，但其结构复杂没有广泛应用，对其研究主要为：通过喷头空心轴及转体尺寸，确定动静片的外圆尺寸，动片与空心轴压配，静片螺纹固定在下转体处。根据喷洒形状，设最大截面积为喷嘴处截面积。写出喷洒形状的边界方程。其次根据理论关系公式，得到进口压力流量变化规律。

其中这些研究没有形成一套设计方法，将其系列化及标准化，因此对变量喷洒喷头压力调节装置关键水力尺寸进行设计，提出一套实用的设计方法具有很重要的意义。喷头在旋转过程中压力与射程随着旋转角度周期性的改变，从而实现非圆形喷洒。目前较为典型的是中国发明专利申请号：200610104497.7，在喷头进口处采用压力调节装置可实现压力改变，设计了动静片的形式，提高装置的密封性，但对动静片内部尺寸没有按照理论截面积变化形成一套设计方法。与专利200610104497.7的根本区别在于所述的设计方法为一种按照理论截面积变化形成的新型动静片水力尺寸的确定方法，在已公开的专利中没有涉及变量喷洒喷头动静片设计方法的研究。

发明内容

为了完善变量喷洒喷头的设计，本发明的目的在于提出一种变量喷洒喷头压力调节装置动静片的设计方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种变量喷洒喷头动静片设计方法，其特征在于，根据理论关系公式，得到喷头进口截面积变化规律的公式。设定截面积最小状态为旋转角度为零度时，并设定此状态值为基本圆孔面积，从而得到基本孔半径，设为r₀。将随喷头旋转而变化的进口截面积值减去基本圆孔面积值，从而得到除基本圆孔外的变化部分截面积，将此部分面积转化成圆的面积，得到相应的圆的半径，设为r_i。在不同旋转角度下，将基本孔半径r₀与该角度下的半径r_i相加得到一点作为圆心，并在该角度上画半径为r_i的圆，与基本圆孔相外切。将每个外切圆圆心与动片圆心相连接，并延长，得到射线。将每条射线与其所对应的外切圆的交点连接起来，光滑过渡，并相应对称成全圆360度范围。按照上述步骤则绘制出了动片的结构图。静片采用的结构形式为中间开圆孔，其圆孔与动片的基本圆孔完全相同，另外动静片相对运动改变进口截面积，因此，静片的基本圆孔外伸出一定角度的扇形，外切圆最大直径设为d_imax，最大半径设为r_imax，其中d_imax＝2r_imax。扇形外圆的半径为动片基本圆孔的半径r₀与外切圆最大直径d_imax的和，其中d_imax＝2r_imax。根据旋转角度为最大截面积的大小及扇形的外圆尺寸，已知动静片相互重叠面积的值，从而选择静片结构中扇形的角度，使在该角度下，动静片相对运动时的过流截面积与理论值保持接近。从而得到了静片的结构图。

其中上述理论关系公式为：

$v=\frac{Q}{A}---\left(3\right)$

其中为速度系数；P为喷头工作压力，单位为m；α为喷头仰角，单位为°；v为速度，单位为m/s；g为重力加速度，单位为m²/s；Q为流量，单位为m³/s，R为射程，单位为m；A为进口截面积，单位为m²。

将(3)式代入(2)式后再代入(1)式，得到喷头进口截面积变化规律的公式，即进口截面积与射程的比例关系为：

其中A₁，A₂为不同旋转角度下的进口截面积，单位为m²，R₁，R₂为不同旋转角度下的射程。

本发明的优点在于：提供一种变量喷洒喷头动静片设计方法，为变量喷头压力调节装置的设计提供一种方法，且能够达到预期效果。

附图说明

图1为三角形喷洒域示意图

图2为基本孔直径

图3为r₀及r_i位置

图4为内切圆绘制

图5为三角形喷洒域动静片结构形式

a动片b静片

具体实施方式

下面结合附图和发明人完成的具体实例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种变量喷洒喷头动静片的设计方法，结合30PXH型号喷头实现三角形喷洒域为例，该方法的步骤包括：

步骤一：确定喷头的型号

喷头的进口直径根据喷头的型号而定，则D＝30mm。

步骤二：确定喷头进口动静片的外圆尺寸

动片与空心轴压配尺寸，取动片外圆直径D₁＝39mm。

静片固定在下转体螺纹尺寸，取静片外圆直径D₂＝30mm。

步骤三：确定喷头动静片相对运动中最大过流截面尺寸

根据喷洒形状，最大截面积为喷嘴处截面积。S_max＝S_喷嘴＝85.398mm²。

步骤四：确定进口动静片相对运动过流截面积变化规律

主要根据喷洒形状及进口截面积变化，读取进口截面积变化曲线的数据。如表1所示。

表1三角形变量喷洒动静片不同旋转角度下进口截面积参数变化数据

其中，μ＝μ_i-μ₀，i＝1，2，3，...

步骤五：确定动静片过流截面积的基本孔直径

根据理论截面积变化率，设定最小截面积为喷头旋转角度为零度，并设定此状态下的过流截面积为基本圆孔面积。则其最小截面积基本圆孔：S₀＝μ₀S_max，其基本圆孔半径为：以30PXH三角形动静片为例，其基本圆孔半径为：r₀＝3.088，取其为r₀＝3。如图2所示。

步骤六：确定变化面积部分尺寸

表2三角形变量喷洒动静片不同旋转角度下除基本孔截面积外参数变化数据

S＝S_i-S₀，i＝1，2，3，...，例如三角形中r₀及r_i的位置，如图3所示。

步骤七：根据尺寸绘制外切圆

根据所列表2中的外切圆圆心距动片圆心的距离和旋转角度绘制外切圆，并将每条射线与该外切圆的交点(即外切圆与其中心线顶部的点)连接起来，如图4所示，将接点光滑过渡，以60度角度的射线为基准线，将绘制的一条曲线对称，得到两条曲线，两条曲线相应环形阵列成全圆360度范围。按照上述步骤则绘制出了动片的结构图。静片采用的结构形式为中间为圆孔，其圆孔与动片基本圆孔完全相同，另外动静片相对运动改变进口截面积，因此，静片的基本孔外伸出部分一定角度的扇形，外圆大小为d＝(3+2×4.2)×2＝22.8，取d＝φ24mm。根据在60度时，变化部分截面积为85.398mm²，选择静片结构中扇形的角度为14°时结构设计面积为84.00698mm²，基本保持一致，从而得到了静片的结构图。如图5所示

按照上述步骤绘制了动静片的结构形式及结构图，对结果进行验证，将设计方法得到的结构面积变化与理论截面积变化进行对比，如表3所示，得到其结果基本一致，设计方法效果较好。

表3三角形变量喷洒动静片不同旋转角度下设计的形状其结构面积变化

Claims (6)

1.一种变量喷洒喷头动静片设计方法，其特征在于，设计方法按下列步骤进行：

步骤一：根据理论关系公式，得到喷头进口截面积变化规律的公式；

步骤二：设定截面积最小状态为旋转角度为零度时，并设定此状态值为基本圆孔面积，从而得到基本孔半径，设为r₀；

步骤三：将随喷头旋转而变化的进口截面积值减去基本圆孔面积值，从而得到除基本圆孔外的变化部分截面积，将此部分面积转化成圆的面积，得到相应的圆的半径，设为r_i。

步骤四：将基本孔半径r₀与步骤三中半径r_i相加，为不同旋转角度下r_i的圆心，画半径为r_i的圆，与基本圆孔相外切；

步骤五：将每个外切圆圆心与动片圆心相连接，并延长，得到射线；

步骤六：将每条射线与其所对应的外切圆的交点连接起来，光滑过渡，并相应对称成全圆360度范围，则绘制出了动片的结构图；静片采用的结构形式为中间开圆孔，其圆孔与动片的基本圆孔完全相同，根据截面积的大小，选择静片结构中扇形的角度及扇形外圆大小，从而得到了静片的结构图。

2.权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤一中理论关系公式为：

$v=\frac{Q}{A}---\left(3\right)$

其中

为速度系数；P为喷头工作压力，单位为m；α为喷头仰角，单位为°；v为速度，单位为m/s；g为重力加速度，单位为m²/s；Q为流量，单位为m³/s，R为射程。

3.权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤一中喷头进口截面积变化规律的公式为：

$\frac{A_1}{A_2}=\frac{R_1^{1.5}}{R_2^{1.5}}---\left(4\right)$

A₁，A₂为不同旋转角度下的进口截面积，单位为m²，R₁，R₂为不同旋转角度下的射程。

4.权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤三中除基本圆孔外的变化部分截面积为动静片相对运动的开孔部分重叠的面积。

5.权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤六中选择静片结构中扇形的角度及扇形外圆大小的方法具体为：设外切圆最大直径为d_imax，设最大半径为r_imax，其中d_imax＝2r_imax；扇形外圆的半径为动片基本圆孔的半径r₀与外切圆最大直径d_imax的和，其中d_imax＝2r_imax；根据旋转角度为最大截面积的大小及扇形的外圆尺寸，已知动静片相互重叠面积的值，从而选择静片结构中扇形的角度，使在该角度下，动静片相对运动时的过流截面积与理论值保持接近。

6.权利要求1所述的设计方法，其特征在于：该方法适用于喷洒域为相互对称形状的动静片的设计。

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