一种可拆洗管间组合式压力补偿灌水器的制作方法

本发明涉及一种可拆洗管间组合式压力补偿灌水器，属于农业灌溉技术领域。

背景技术：

我国面临严峻的水资源短缺问题，农业灌溉作为用水大户，供需矛盾日渐突出，且农业灌溉用水有效利用率低，节水灌溉应运而生。滴灌是目前节水效率最高的微灌方式，水利用率可高达95％以上，是保障我国农业可持续发展的一项重要技术措施。灌水器是整个滴灌系统的核心和关键部分，其结构的优劣对灌水均匀性、系统的抗堵塞能力及寿命影响很大。滴灌系统中使用的灌水器有很多种，压力补偿灌水器是被广泛使用的类型之一。压力补偿灌水器是一种能在一定压力范围内通过内部压力补偿垫片的调节作用实现恒流出水的滴灌末端装置，具有补偿性能好、灌水均匀、铺设长度长、适应范围广等优点，特别适用于地形起伏较大、系统压力不均衡和毛管较长的情况。通常为了保证较好的水力性能，压力补偿灌水器的内部流道尺寸一般很小，目前市场上已有的迷宫流道和压力补偿式结构相结合的压力补偿式灌水器，流道尺寸多在0.7～1.5mm之间，易产生堵塞，并且流量偏小，不适合于山地经济林灌溉。而且，目前已经存在的压力补偿式灌水器，虽然具有一定的压力补偿性能和良好的均匀度，但其补偿区间较小，应用在山地自压灌溉时补偿区间无法与山地高差和复杂的地形相适应，不能发挥其灌水均匀度高的优点，导致了灌水器均匀度较差，灌溉效果不好的缺陷。因此，解决灌水器易堵塞、流量小和补偿性能差等问题有着极为重要的意义。

灌水器常见堵塞方式主要有物理堵塞、化学堵塞、生物堵塞等，一般以物理堵塞最为常见。解决由泥沙颗粒造成的物理堵塞的有效方法是增大其进口和流道尺寸，但增大进口和流道尺寸将牺牲流道的部分水力性能。申请号为201610532350.1的中国专利申请公开了一种补偿式滴灌灌水器，对灌水器腔体内部结构进行了优化设计，提高了灌溉效率及水资源的利用率，但其流量的调节范围较小，不能满足大流量灌溉的要求，其结构型式为管上孔口式，应用于地形比较复杂的山地时，组装费时费力。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可拆洗管间组合式压力补偿灌水器，该灌水器可在不改变流道尺寸的情况下解决灌水器的抗堵塞问题，从而不影响灌水器的水力性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可拆洗管间组合式压力补偿灌水器，其特征在于：包括灌水器主体、压力补偿式薄膜、出水环腔和活动螺管；在所述灌水器主体的一端设置固定螺管，在所述灌水器主体的另一端通过螺纹连接所述活动螺管；在位于所述固定螺管和活动螺管之间的所述灌水器主体的外壁上布置有第一迷宫流道，所述第一迷宫流道的始末为与所述灌水器主体的内部相通的进水口；所述出水环腔设置在位于所述固定螺管和活动螺管之间的所述灌水器主体的外部；所述压力补偿式薄膜环设在所述出水环腔与所述灌水器主体之间且两端限位于固定螺管和活动螺管；在所述出水环腔的内壁上设置第二迷宫流道，所述第二迷宫流道的末端为与所述出水环腔的外部相通的出水口；在所述压力补偿式薄膜上设置有连通第一迷宫流道与第二迷宫流道的薄膜过流孔。

所述灌水器主体为中空圆柱结构，所述第一迷宫流道设置在所述中空圆柱结构的外壁上；所述第一迷宫流道和第二迷宫流道均为齿型迷宫流道。

所述固定螺管和活动螺管分别通过螺纹连接毛管。

在所述第二迷宫流道的末端设置有调节环腔，所述调节环腔的中心位置设置有圆环凸台，所述出水口位于所述圆环凸台的中空部位；在所述圆环凸台的侧壁上设置有通槽。

所述出水环腔为两端口径大、中部口径小的中空圆柱结构，其中，大口径部分用于将所述出水环腔定位在所述固定螺管和活动螺管之间，小口径部分的内径与所述压力补偿式薄膜的外径相等。所述薄膜过流孔的面积与第一迷宫流道、第二迷宫流道的断面过水面积相同。

在所述灌水器主体上开设有多个用于节省材料的凹槽。

在所述进水口上设置有过滤栅格。

所述圆环凸台的高度小于所述调节环腔的高度。

所述齿型迷宫流道的参数满足下述几何关系：

f＝0.7776w+0.0307，n＝-181.64w²+390.9w-70.51，a＝-0.7857w²+1.6753w+0.3852

式中，w为流道宽度；f为局部水头损失系数；a为齿宽；n为流道单元个数。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1本发明实现了灌水器主体与压力补偿式薄膜、出水环腔的分离，具有拆卸、清洗方便的优势，因此当流道发生堵塞时，可以旋转活动螺管，将灌水器主体从出水环腔取出，分别清洗压力补偿式薄膜和灌水器主体，操作简单，使灌水器堵塞问题可以得到很好的解决，抗堵塞性能的提高能够延长灌水器的使用年限，大大降低滴灌的使用成本。2、本发明在管上孔口式压力补偿灌水器结构的基础上，提出迷宫流道和压力补偿式结构相结合的管间式压力补偿灌水器，其中，灌水器主体内腔可作为毛管过流，外壁布置迷宫流道，充分利用圆柱式灌水器的结构优势，同时利用螺纹结构实现毛管与灌水器的分离，改变了灌水器与毛管一体式的设计理念。3、本发明在常规压力补偿灌水器的压盖的基础上，提出了中空圆柱结构的出水环腔，起到固定薄膜的作用，同时在其内壁布置了迷宫流道与调节环腔，增加了压力补偿式薄膜受力后的可变形面积，大大增大了压力补偿区间。4、在使用过程中，压力补偿式薄膜能够根据来水压力的变化而发生不同程度的变形，使出水环腔上的第二迷宫流道和调节环腔过水深度随压力的变化而发生改变，流体运动与压力补偿式薄膜变形相互作用对流道出水口流量大小进行自行调节，实现出水口处恒定出流。5、本发明组装灌水器时先将灌水器安装在毛管的一侧，然后在田间进行安装时，将毛管放在相应的位置，工作人员只需将未安装灌水器的毛管一侧与连接毛管的灌水器的螺管进行拧合连接即可，从而大大减少安装工作量。6、本发明各组成部分都是单独零件，某一部分毁坏严重时，仅需更换毁坏零件，改变常规圆柱型迷宫式灌水器的一次性产品的生产理念，实现该类新型灌水器的系列化、标准化。7、本发明出水环腔、灌水器主体可以投入批量生产，通过改变迷宫流道的结构与尺寸来满足农业生产中不同的流量需求。8、本发明出水口下端为一圆环凸台，圆环凸台外侧设有调节环腔，凸台的高度小于调节环腔的高度，防止薄膜在调节环腔处变形量过大，圆环凸台上设有通槽，防止薄膜挡住出水口阻碍出流。9、本发明可满足一定流量范围内的灌溉要求，灌水均匀度高，适用于各种山地、丘陵等输水管道内水压变化明显的地区农业生产滴灌及小流量灌溉情况，适用范围较广。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明灌水器主体的结构示意图；

图3是本发明活动螺管的结构示意图；

图4是本发明压力补偿式薄膜与灌水器主体的安装示意图；

图5是本发明出水环腔的剖视结构示意图；

图6是图5中a-a向的半剖示意图；

图7是图5中b-b向的半剖示意图；其中，①对应的线表示的是第一阶段压力补偿式薄膜还未变形的示意图，②对应的线表示的是第二阶段薄膜变形后的示意图，此时，流道过水面积减小，灌水器发挥压力补偿作用；

图8是本发明毛管的结构示意图；

图9是本发明(第一/第二)迷宫流道的几何模型示意图；

图10是流道宽度w随着平均水头损失系数f变化的曲线关系图；

图11是流道单元个数n与流道宽度w的曲线关系图；

图12是齿宽a与流道宽度w的曲线关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～4所示，本发明包括灌水器主体1、压力补偿式薄膜2、出水环腔3和活动螺管4。在灌水器主体1的一端设置固定螺管5，在灌水器主体1的另一端通过螺纹连接活动螺管4。在位于固定螺管5和活动螺管4之间的灌水器主体1的外壁上布置有第一迷宫流道6，第一迷宫流道6的始末为与灌水器主体1的内部相通的进水口7。出水环腔3设置在位于固定螺管5和活动螺管4之间的灌水器主体1的外部。压力补偿式薄膜2环设在出水环腔3与灌水器主体1之间且两端限位于固定螺管5和活动螺管4。在出水环腔3的内壁上设置第二迷宫流道8，第二迷宫流道8的末端为与出水环腔3的外部相通的出水口9。在压力补偿式薄膜2上设置有连通第一迷宫流道6与第二迷宫流道8的薄膜过流孔10。

进一步地，灌水器主体1为中空圆柱结构，第一迷宫流道6设置在中空圆柱结构的外壁上。第一迷宫流道6和第二迷宫流道8均为齿型迷宫流道。

进一步地，如图5～7所示，在第二迷宫流道8的末端设置有调节环腔12，调节环腔12的中心位置设置有圆环凸台13，出水口9位于圆环凸台13的中空部位。圆环凸台13的高度小于调节环腔12的高度，防止压力补偿式薄膜2在调节环腔12位置处变形过大。在圆环凸台13的侧壁上设置有通槽14，防止压力补偿式薄膜2变形后挡住出水口9阻碍出流。

进一步地，固定螺管5和活动螺管4分别通过螺纹与毛管11(如图8所示)连接。

进一步地，出水环腔3为两端口径大、中部口径小的中空圆柱结构，其中，大口径部分用于将出水环腔3定位在固定螺管5和活动螺管4之间，小口径部分的内径与压力补偿式薄膜2的外径相等，以使第二迷宫流道8由压力补偿式薄膜2进行密封。

进一步地，薄膜过流孔10的面积与第一迷宫流道6、第二迷宫流道8的断面过水面积相同，从而可以避免因过流面积变化对水流水力性能产生影响。

进一步地，在灌水器主体1上开设有多个用于节省材料的凹槽15。

进一步地，在进水口7上设置有过滤栅格，可以过滤灌溉水中的杂质以减少堵塞。

本发明的工作原理为：水流从进水口7进入灌水器主体1的第一迷宫流道6，经压力补偿式薄膜2的薄膜过流孔10进入出水环腔3的第二迷宫流道8，再经出水环腔3中间位置的调节环腔12的集水域到达上部的出水口9。随着进水压力的不断变化，压力补偿式薄膜2下部受到水压的冲击发生形变，导致压力补偿式薄膜2上部的第二迷宫流道8及调节环腔12的过水断面发生相应的改变，出水环腔3上第二迷宫流道8内部压力与调节环腔12内部压力发生改变反过来抵抗压力补偿式薄膜2的挤压，通过这种相互作用共同调节灌水器流量，使出水更均匀。正常压力下，出水环腔3内壁上的第二迷宫流道8及调节环腔12的过水截面的面积最大，灌水器的出口正常出流，当压力增大时，压力补偿式薄膜2向上凸起，此时压力补偿式薄膜2挤压第二迷宫流道8和调节环腔12，挡住一部分流道出口截面，第二迷宫流道8和调节环腔12出水面积发生变化，反过来影响流道内的流体。此时进水压力与出水环腔3上第二迷宫流道8内部压力、调节环腔12内部压力对薄膜相互挤压，共同作用减小第二迷宫流道8和调节环腔12过水面积，流量随之减小，这种依靠改变过水断面面积的补偿方式大大增大了压力补偿区间，提高了山地滴灌的出水均匀度，同时也提高了调节精度和可靠性。

本发明实现了灌水器主体1与压力补偿式薄膜2、出水环腔3的分离，拆卸、清洗方便，因此当流道发生堵塞时，可以旋转活动螺管4，将灌水器主体1从出水环腔3取出，分别清洗压力补偿式薄膜2和灌水器主体1，操作简单，使灌水器堵塞问题可以得到很好的解决，抗堵塞性能的提高能够延长灌水器的使用年限，大大降低滴灌的使用成本。

本发明还对齿型迷宫流道的结构做以研究，对齿型迷宫流道结构的参数做以限定，以达到通过增大流道宽度，来减少流道堵塞频率，减少流道单元个数，降低工程造价的目的。如图9所示，由平面几何模型可以得出流道宽度与齿宽、齿高、齿底距之间的几何关系：

其中齿宽与齿高和齿尖角之间满足以下关系：

未发生变形前流道过水面积a可以表示为：

a＝d×w(3)

流道过水流量q可以表示为：

式中：w为流道宽度，mm；h为齿高，mm；a为齿宽，mm；b为齿底距，mm；θ为齿尖角，°；d为流道深度，mm；a为流道截面面积，m²；q为流道过水流量，l/h；为流体的平均速度，m﹒s^-1。

从抗堵塞性能和生产成本来看，较大的流道过水面积和较短的流道长度有助于提高灌水器的抗堵塞性能以及减少造价，同时可以满足压力补偿灌水器的大流量需求，但是增大流道宽度、减少流道单元个数会降低流道的消能效果，因此，本发明提出在增大流道宽度、减少流道单元个数的同时，增大平均水头损失系数，使得增大流道过水面积、减少流道单元个数并不会减弱流道的消能效果。

考虑到水流经过流道中的沿程水头损失可以忽略不计，本发明在计算过程中只考虑局部水头损失，由于局部水头损失系数只与流道形状有关，对于相同流道形状按流道长度分布的局部水头损失而言，其压力损失是均匀分配在长度上的，符合线性叠加规律，因此可将整个水头损失离散而均匀的分布在整个流道内，并借助darcy-weisbach公式(7)来近似表达流道的水头损失。此外，由于水头损失的90％发生在齿尖结构处，因此，本发明在计算过程中假设局部水头损失系数只与流道转角α有关，依据已有的局部水头损失经验系数表(见表1)，发现局部水头损失系数f与流道转角α满足关系式：

f＝0.7×10^-4×α^2.1441(5)

考虑到水流经过一个齿形迷宫流道单元要通过两个相同角度的流道转角α，因此将α＝90°-θ/2代入公式(5)，得到局部水头损失系数f与齿间角θ满足关系式：

f＝1.4×10^-4×(90°-θ/2)^2.1441(6)

式中：h为水头损失，m；f为局部水头损失系数，与流道转角有关，查局部水头损失经验系数表(表1)知；α为流道转角，°；n为流道单元个数；li为单个流道单元流道长度，mm；d为水力直径，mm；g为重力加速度，取9.81m/s²。

将式(1)、(3)和式(6)～(9)代入式(4)，得到：

从公式(10)可以看到，流量q与流道宽度w、流道单元个数n之间的关系非常复杂，因此本发明提出在保证流道过水流量q不变的前提下，利用流道几何参数之间的几何关系与水力学公式粗略地分析流道单元个数n与流道宽度w之间的关系。

在不考虑薄膜变形的情况下，假设进水口工作水头为10m，线性调整几何参数使得平均水头损失系数f随着流道宽度w增大而近似线性增大，此时流道单元个数n与流道宽度w的关系满足开口向下的抛物线关系曲线，同时齿宽a的变化也呈现出这个规律，得到结果如图10～12所示。通过拟合，得到的公式分别为f＝0.7776w+0.0307，n＝-181.64w²+390.9w-70.51，a＝-0.7857w²+1.6753w+0.3852，这些关系式的系数会随着具体情况的变化而变化，但这些参数的变化规律不会变。计算结果见表2、3，以本文数据为例，当流道宽度w大于1.10mm时，平均水头损失系数f继续增大，流道单元个数n开始减少，在实际生产运行中，依据本文得到的各个参数之间的变化规律，进行具体设计，得到宽流道、少流道单元的压力补偿灌水器。

表1局部水头损失经验系数表

表2流道过水面积计算表

表3流道平均流速、过水流量计算表

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。