一種搖臂式噴頭內(nèi)部彎管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種搖臂式噴頭的內(nèi)部彎管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，該方法改變原噴頭內(nèi)部彎管結(jié)構(gòu)的曲線形狀，將原噴頭的圓弧形彎管曲線的結(jié)構(gòu)改變成阿基米德螺線的結(jié)構(gòu)，對副噴嘴和入口之間的漸變段進(jìn)行擴(kuò)大或縮小1mm處理；通過模擬與實(shí)驗(yàn)的方法，證明了采用該方法設(shè)計(jì)的搖臂式噴頭彎管設(shè)計(jì)科學(xué)合理，成本低，可以有效的降低搖臂式噴頭內(nèi)流場的水力損失與能量損失，使流量和射程增加，從而提高了噴頭灌溉控制面積，降低了組合噴灌系統(tǒng)的成本，并達(dá)到節(jié)約水資源的目的。
【專利說明】一種搖臂式噴頭內(nèi)部彎管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械零部件制造領(lǐng)域，涉及一種用于農(nóng)田、園林綠地和花卉苗圃等噴灌裝置的設(shè)計(jì)，特別涉及一種搖臂式噴頭的內(nèi)部彎管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]搖臂式噴頭是我國應(yīng)用最為廣泛的噴頭，我國于1945年開始引進(jìn)、推廣噴灌技術(shù)。在引進(jìn)的基礎(chǔ)上，于1981年開發(fā)成功PAC40和PAC60垂直搖臂式噴頭。目前國內(nèi)大田噴灌噴頭的主要產(chǎn)品是1987年引進(jìn)奧地利鮑爾公司生產(chǎn)線生產(chǎn)的ZY系列金屬搖臂式噴頭及其改進(jìn)形式，如DY系列噴頭、ZPY組合式長噴管金屬搖臂式噴頭等，產(chǎn)品以鋅基合金和銅為主要材料。“十五”期間，我國開發(fā)成功進(jìn)口直徑80mm和100mm2種大流量遠(yuǎn)射程搖臂式噴頭，并首次應(yīng)用新型的彈珠擺塊式換向器，解決了長期以來我國大中型旋轉(zhuǎn)式噴頭換向器工作不可靠的技術(shù)難題，同時(shí)，我國也積極進(jìn)行噴頭試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。如，1979年農(nóng)機(jī)部頒發(fā)《噴頭試驗(yàn)方法》；1985年又頒布了 3個(gè)旋轉(zhuǎn)式噴頭的國家標(biāo)準(zhǔn):《旋轉(zhuǎn)式噴頭型式基本參數(shù)》(GB5670.1-85)、《旋轉(zhuǎn)式噴頭技術(shù)條件》(GB5670.2_85)和《旋轉(zhuǎn)式噴頭試驗(yàn)方法》(GB5670.3-85) ; 1997年根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)又修定并頒布了標(biāo)準(zhǔn)《旋轉(zhuǎn)式噴頭》(JB/T7867-1997)。
[0003]噴頭本身性能的好壞將影響噴灌灌水質(zhì)量。噴頭的流道要完成壓力水流進(jìn)入、轉(zhuǎn)彎、能量交換和噴射幾項(xiàng)工作。流道的結(jié)構(gòu)形式幾何尺寸，斷面形狀和表面粗糙度等，都影響噴頭的水力性能。為降低噴頭流道內(nèi)部水力損失，提高噴頭射程，在中高壓噴頭中采用副噴嘴驅(qū)動(dòng)和增加主噴管長度的方法，并利用整體鑄造成型技術(shù)在噴頭內(nèi)部加設(shè)隔板或穩(wěn)流柵；對于單噴嘴噴頭或單向雙噴嘴噴頭，采用在噴體后側(cè)安裝平衡器的方法，解決了因主噴管過長導(dǎo)致的噴頭重心不穩(wěn)的問題；對于小型低壓噴頭，采用噴嘴外側(cè)安裝碎水機(jī)構(gòu)，安裝異形噴嘴或?qū)娮焯幮遍_切口等形式，提高噴頭的霧化特性，增加近噴頭處水量。
[0004]在目前研究中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要集中在導(dǎo)流器參數(shù)設(shè)計(jì)，噴頭仰角的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及如異型噴嘴等的新型噴嘴的設(shè)計(jì)上，但在噴頭內(nèi)流道中，與副噴嘴位置連接處的彎管(圖2)是整個(gè)噴頭承受靜壓最大的地方，有壓水流通過彎頭時(shí)，水流連續(xù)性遭到破壞，產(chǎn)生渦流和橫向環(huán)流，造成噴頭內(nèi)流道水頭損失過大和噴嘴出口流速不均勻。噴頭彎管流道參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以改善噴頭水力性能，提高噴頭工作穩(wěn)定性。原噴頭彎管曲線如圖3所示，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮，但相關(guān)的研究卻很少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述變量噴頭存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種搖臂式噴頭的內(nèi)部彎管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，該方法將原搖臂式噴頭的內(nèi)部彎管的曲線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，新設(shè)計(jì)出一種阿基米德螺線曲線形式的彎管，以代替原噴頭中的類似圓弧型彎管，可有效的降低搖臂式噴頭內(nèi)流場的水力損失與能量損失，從而達(dá)到水資源的節(jié)約。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案:[0007]—種搖臂式噴頭的內(nèi)部彎管的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法將原搖臂式噴頭噴管內(nèi)部彎管的圓弧形曲線設(shè)計(jì)成阿基米德螺線形式，并對副噴嘴和入口之間的漸變段進(jìn)行擴(kuò)大或縮小處理；
[0008]所述的阿基米德螺線在極坐標(biāo)下的方程為r=0.861 Θ，其中0〈 Θ <35.96。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，所述的漸變段擴(kuò)大或縮小的尺寸為1mm。
[0010]采用本發(fā)明的搖臂式噴頭的內(nèi)部彎管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，通過數(shù)值模擬及水力實(shí)驗(yàn)的方法，選出最優(yōu)的曲線組合，可以實(shí)現(xiàn)噴頭工作時(shí)水流通過空心軸后，最優(yōu)彎管曲線及漸變線把經(jīng)噴體轉(zhuǎn)彎后被干擾的水流改造成較為平順的水流，以斷面流速比較均勻的形式進(jìn)入噴嘴，從而使噴頭能獲得比較理想的水力性能。彎管曲線參數(shù)優(yōu)化后，可以減小水流經(jīng)過彎管處時(shí)的紊流情況及射流損失，增加了噴頭射程，提高了性能，從而解決了原噴頭能量損失大，水流在噴頭內(nèi)部流動(dòng)不均，水力損失較大等問題，從而達(dá)到水資源的節(jié)約。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是采用本發(fā)明的方法制備的基于阿基米德螺線彎管曲線形狀的搖臂式噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是彎管部分的立體結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖3是原噴頭彎管曲線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4是噴頭彎管曲線的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，a為主視圖，b為剖視圖。
[0015]圖5是內(nèi)流場應(yīng)變速率圖。
[0016]圖6是內(nèi)流場壓力與壁面剪切應(yīng)力圖。
[0017]圖7是主副噴嘴出口速度及進(jìn)口速度圖。
[0018]圖8是主副噴嘴的流量分布圖。
[0019]圖9是加工樣品照片。
[0020]圖10是不同彎管曲線噴頭的射程圖。
[0021 ] 圖中的標(biāo)記分別表示:1、彎管內(nèi)側(cè)曲線，2、主噴嘴，3、彎管外側(cè)曲線，4、副噴嘴，5、漸變段。
[0022]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明的其技術(shù)思路是改變原噴頭內(nèi)部彎管曲線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)降低噴頭內(nèi)水力損失和能量損失，對噴頭水力性能優(yōu)化的目的。
[0024]參見圖4，本實(shí)施例給出搖臂式噴頭的內(nèi)部彎管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，該方法在設(shè)計(jì)中，對原搖臂式噴頭的內(nèi)部彎管中的彎管內(nèi)側(cè)曲線I和彎管外側(cè)曲線3 (原為圓弧形曲線)均設(shè)計(jì)成阿基米德螺線形式，其中，彎管內(nèi)側(cè)曲線I的阿基米德螺線兩端分別與入口和主噴嘴2平滑相切，彎管外側(cè)曲線3的阿基米德螺線兩端分別與主噴嘴2和副噴嘴4平滑相切，對副噴嘴4和入口之間的漸變段5 (漸變段是直線)進(jìn)行擴(kuò)大或縮小處理，即將內(nèi)流道彎管部分直徑的最小段擴(kuò)大或縮小Imm處理，以獲得更為平滑的過渡，漸變段5兩端分別與副噴嘴4和入口的線段相切。
[0025]所述的阿基米德螺線在極坐標(biāo)下的方程為r=0.861 Θ，其中0〈 Θ <35.96。[0026]采用本實(shí)施例的方法制成阿基米德螺線曲線噴頭(本發(fā)明)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0027]以下阿基米德螺旋線的技術(shù)原理:
[0028]阿基米德螺旋線，也稱“等速螺旋線”。可以應(yīng)用在螺旋揚(yáng)水器，螺旋泵和汽車制動(dòng)器的凸輪上，其方程寫成極坐標(biāo)形式就是r ( Θ )=a+b ( Θ )，式中，b:阿基米德螺旋線系數(shù)，mm/°，表示每旋轉(zhuǎn)I度時(shí)極徑的增加(或減小)量；Θ:極角，單位為度，表示阿基米德螺旋線轉(zhuǎn)過的總度數(shù)；a:當(dāng)Θ =0°時(shí)的極徑，mm。
[0029]其最大的特點(diǎn)就是可以把勻速圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為勻速直線運(yùn)動(dòng)。在內(nèi)流道中的特點(diǎn)是由極點(diǎn)向外展開，與旋轉(zhuǎn)的流場形狀相同，采用這種形式，入口在液體導(dǎo)旋方面有獨(dú)到之處，導(dǎo)流能力更強(qiáng)，在彎管處能將一部分壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，有利于迅速形成較為穩(wěn)定的旋流，其兩端分別與入口和出口相切，平滑過度，流道磨損均勻，沖擊小，能很好的穩(wěn)定流場。
[0030]本實(shí)施例中，所設(shè)計(jì)的阿基米德螺線在極坐標(biāo)下的方程為r=0.861 Θ，其中0〈 Θ〈35.96。
[0031]1.模擬結(jié)果對比分析
[0032]對曲線設(shè)計(jì)有兩個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別為曲線形狀和漸變段與噴管連接處的處理方式。表1中，qul,qu2,qu3分別為圓曲線(原噴頭曲線),拋物線曲線，阿基米德螺線。quid、qu2d、qu3d和qulx、qu2x、qu3x分別為漸變線與副噴嘴連接處做擴(kuò)大處理和縮小處理，即對彎管內(nèi)流道最小尺寸處擴(kuò)大或縮小1mm，這樣就有9種不同的曲線與漸變段組合方式。
[0033]表1噴頭雨量筒實(shí)測降水深數(shù)據(jù)(mm)
[0034]
【權(quán)利要求】
1.一種搖臂式噴頭的內(nèi)部彎管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法將原搖臂式噴頭內(nèi)部彎管的圓弧形曲線設(shè)計(jì)成阿基米德螺線形式，并對副噴嘴和入口之間的漸變段進(jìn)行擴(kuò)大或縮小處理； 所述的阿基米德螺線在極坐標(biāo)下的方程為r=0.861 Θ，其中0〈 Θ〈35.96。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的漸變段進(jìn)行擴(kuò)大或縮小的尺寸為Imm0
【文檔編號】B05B1/34GK103691604SQ201310562322
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】韓文霆, 周龍, 王玄, 索文浩, 王耀成 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)