一种摇臂式喷头内部弯管结构的设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种摇臂式喷头的内部弯管结构的设计方法，该方法改变原喷头内部弯管结构的曲线形状，将原喷头的圆弧形弯管曲线的结构改变成阿基米德螺线的结构，对副喷嘴和入口之间的渐变段进行扩大或缩小1mm处理；通过模拟与实验的方法，证明了采用该方法设计的摇臂式喷头弯管设计科学合理，成本低，可以有效的降低摇臂式喷头内流场的水力损失与能量损失，使流量和射程增加，从而提高了喷头灌溉控制面积，降低了组合喷灌系统的成本，并达到节约水资源的目的。
【专利说明】一种摇臂式喷头内部弯管结构的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械零部件制造领域，涉及一种用于农田、园林绿地和花卉苗圃等喷灌装置的设计，特别涉及一种摇臂式喷头的内部弯管结构的设计方法。
【背景技术】
[0002]摇臂式喷头是我国应用最为广泛的喷头，我国于1945年开始引进、推广喷灌技术。在引进的基础上，于1981年开发成功PAC40和PAC60垂直摇臂式喷头。目前国内大田喷灌喷头的主要产品是1987年引进奥地利鲍尔公司生产线生产的ZY系列金属摇臂式喷头及其改进形式，如DY系列喷头、ZPY组合式长喷管金属摇臂式喷头等，产品以锌基合金和铜为主要材料。“十五”期间，我国开发成功进口直径80mm和100mm2种大流量远射程摇臂式喷头，并首次应用新型的弹珠摆块式换向器，解决了长期以来我国大中型旋转式喷头换向器工作不可靠的技术难题，同时，我国也积极进行喷头试验标准的制定工作。如，1979年农机部颁发《喷头试验方法》；1985年又颁布了 3个旋转式喷头的国家标准:《旋转式喷头型式基本参数》(GB5670.1-85)、《旋转式喷头技术条件》(GB5670.2_85)和《旋转式喷头试验方法》(GB5670.3-85) ; 1997年根据国际标准又修定并颁布了标准《旋转式喷头》(JB/T7867-1997)。
[0003]喷头本身性能的好坏将影响喷灌灌水质量。喷头的流道要完成压力水流进入、转弯、能量交换和喷射几项工作。流道的结构形式几何尺寸，断面形状和表面粗糙度等，都影响喷头的水力性能。为降低喷头流道内部水力损失，提高喷头射程，在中高压喷头中采用副喷嘴驱动和增加主喷管长度的方法，并利用整体铸造成型技术在喷头内部加设隔板或稳流栅；对于单喷嘴喷头或单向双喷嘴喷头，采用在喷体后侧安装平衡器的方法，解决了因主喷管过长导致的喷头重心不稳的问题；对于小型低压喷头，采用喷嘴外侧安装碎水机构，安装异形喷嘴或将喷嘴处斜开切口等形式，提高喷头的雾化特性，增加近喷头处水量。
[0004]在目前研究中结构设计主要集中在导流器参数设计，喷头仰角的结构设计及如异型喷嘴等的新型喷嘴的设计上，但在喷头内流道中，与副喷嘴位置连接处的弯管(图2)是整个喷头承受静压最大的地方，有压水流通过弯头时，水流连续性遭到破坏，产生涡流和横向环流，造成喷头内流道水头损失过大和喷嘴出口流速不均匀。喷头弯管流道参数的优化设计，可以改善喷头水力性能，提高喷头工作稳定性。原喷头弯管曲线如图3所示，在设计过程中应重点考虑，但相关的研究却很少。
【发明内容】
[0005]针对上述变量喷头存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种摇臂式喷头的内部弯管结构的设计方法，该方法将原摇臂式喷头的内部弯管的曲线参数进行优化处理，新设计出一种阿基米德螺线曲线形式的弯管，以代替原喷头中的类似圆弧型弯管，可有效的降低摇臂式喷头内流场的水力损失与能量损失，从而达到水资源的节约。
[0006]为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案:[0007]—种摇臂式喷头的内部弯管的设计方法，其特征在于，该方法将原摇臂式喷头喷管内部弯管的圆弧形曲线设计成阿基米德螺线形式，并对副喷嘴和入口之间的渐变段进行扩大或缩小处理；
[0008]所述的阿基米德螺线在极坐标下的方程为r=0.861 Θ，其中0〈 Θ <35.96。
[0009]根据本发明，所述的渐变段扩大或缩小的尺寸为1mm。
[0010]采用本发明的摇臂式喷头的内部弯管结构的设计方法，通过数值模拟及水力实验的方法，选出最优的曲线组合，可以实现喷头工作时水流通过空心轴后，最优弯管曲线及渐变线把经喷体转弯后被干扰的水流改造成较为平顺的水流，以断面流速比较均匀的形式进入喷嘴，从而使喷头能获得比较理想的水力性能。弯管曲线参数优化后，可以减小水流经过弯管处时的紊流情况及射流损失，增加了喷头射程，提高了性能，从而解决了原喷头能量损失大，水流在喷头内部流动不均，水力损失较大等问题，从而达到水资源的节约。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是采用本发明的方法制备的基于阿基米德螺线弯管曲线形状的摇臂式喷头的结构示意图。
[0012]图2是弯管部分的立体结构图。
[0013]图3是原喷头弯管曲线的结构示意图。
[0014]图4是喷头弯管曲线的结构示意图，其中，a为主视图，b为剖视图。
[0015]图5是内流场应变速率图。
[0016]图6是内流场压力与壁面剪切应力图。
[0017]图7是主副喷嘴出口速度及进口速度图。
[0018]图8是主副喷嘴的流量分布图。
[0019]图9是加工样品照片。
[0020]图10是不同弯管曲线喷头的射程图。
[0021 ] 图中的标记分别表示:1、弯管内侧曲线，2、主喷嘴，3、弯管外侧曲线，4、副喷嘴，5、渐变段。
[0022]以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
【具体实施方式】
[0023]本发明的其技术思路是改变原喷头内部弯管曲线的结构参数，从而实现降低喷头内水力损失和能量损失，对喷头水力性能优化的目的。
[0024]参见图4，本实施例给出摇臂式喷头的内部弯管结构的设计方法，该方法在设计中，对原摇臂式喷头的内部弯管中的弯管内侧曲线I和弯管外侧曲线3 (原为圆弧形曲线)均设计成阿基米德螺线形式，其中，弯管内侧曲线I的阿基米德螺线两端分别与入口和主喷嘴2平滑相切，弯管外侧曲线3的阿基米德螺线两端分别与主喷嘴2和副喷嘴4平滑相切，对副喷嘴4和入口之间的渐变段5 (渐变段是直线)进行扩大或缩小处理，即将内流道弯管部分直径的最小段扩大或缩小Imm处理，以获得更为平滑的过渡，渐变段5两端分别与副喷嘴4和入口的线段相切。
[0025]所述的阿基米德螺线在极坐标下的方程为r=0.861 Θ，其中0〈 Θ <35.96。[0026]采用本实施例的方法制成阿基米德螺线曲线喷头(本发明)结构如图1所示。
[0027]以下阿基米德螺旋线的技术原理:
[0028]阿基米德螺旋线，也称“等速螺旋线”。可以应用在螺旋扬水器，螺旋泵和汽车制动器的凸轮上，其方程写成极坐标形式就是r ( Θ )=a+b ( Θ )，式中，b:阿基米德螺旋线系数，mm/°，表示每旋转I度时极径的增加(或减小)量；Θ:极角，单位为度，表示阿基米德螺旋线转过的总度数；a:当Θ =0°时的极径，mm。
[0029]其最大的特点就是可以把匀速圆周运动转化为匀速直线运动。在内流道中的特点是由极点向外展开，与旋转的流场形状相同，采用这种形式，入口在液体导旋方面有独到之处，导流能力更强，在弯管处能将一部分压能转化为动能，有利于迅速形成较为稳定的旋流，其两端分别与入口和出口相切，平滑过度，流道磨损均匀，冲击小，能很好的稳定流场。
[0030]本实施例中，所设计的阿基米德螺线在极坐标下的方程为r=0.861 Θ，其中0〈 Θ〈35.96。
[0031]1.模拟结果对比分析
[0032]对曲线设计有两个关键结构参数，分别为曲线形状和渐变段与喷管连接处的处理方式。表1中，qul,qu2,qu3分别为圆曲线(原喷头曲线),抛物线曲线，阿基米德螺线。quid、qu2d、qu3d和qulx、qu2x、qu3x分别为渐变线与副喷嘴连接处做扩大处理和缩小处理，即对弯管内流道最小尺寸处扩大或缩小1mm，这样就有9种不同的曲线与渐变段组合方式。
[0033]表1喷头雨量筒实测降水深数据(mm)
[0034]
【权利要求】
1.一种摇臂式喷头的内部弯管结构的设计方法，其特征在于，该方法将原摇臂式喷头内部弯管的圆弧形曲线设计成阿基米德螺线形式，并对副喷嘴和入口之间的渐变段进行扩大或缩小处理； 所述的阿基米德螺线在极坐标下的方程为r=0.861 Θ，其中0〈 Θ〈35.96。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的渐变段进行扩大或缩小的尺寸为Imm0
【文档编号】B05B1/34GK103691604SQ201310562322
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】韩文霆, 周龙, 王玄, 索文浩, 王耀成 申请人:西北农林科技大学