一种提高灌溉系统水肥混合均匀度的装置

1.本实用新型属于农业节水灌溉技术领域，涉及农田水肥一体化灌溉过程中提高田间作物施肥均匀度的装置，具体地说，涉及一种提高灌溉系统水肥混合均匀度的装置。


背景技术：

2.滴灌是目前节水效率较高的现代节水灌溉技术，这主要是得益于滴灌技术是通过压力输水管道直接将灌溉水输送到田间作物根区附近，采用专门的小流量灌水器，一滴一滴对作物的生长区域进行局部湿润，不仅实现了灌溉时间和灌溉水量的准确控制，而且基本上消除了灌溉输水过程中的蒸发和渗漏等无效损耗，大幅度提高了灌溉水的利用效率。随着溶解度较高的水溶化肥和液态肥的不断问世，使得滴灌条件下水肥同施成为现实。利用滴灌进行水肥同施，实现水肥一体化灌溉施肥，可以根据作物的需水、需肥规律和土壤水分、养分状况，将肥料和灌溉水一起适时、适量、准确地输送到田间作物根部土壤，供给作物吸收利用，不仅具有节水节肥，提高水肥利用效率，而且使用起来方便，可以节约大量劳力，降低生产的成本。因此基于滴灌技术平台构建的水肥一体化灌溉技术得到全世界普遍重视，是近年来广泛推广应用的技术。
3.对于一个完整的水肥一体化灌溉施肥系统，通常由首部枢纽、输配水管网和田间灌水设备组成。首部枢纽包括抽水或加压设备、监测控制设备、施肥设备、水质过滤设备。在水肥一体化灌溉施肥系统中，目前主要配置的几种注肥设备有：压差式施肥器、文丘里施肥器、比例施肥器(利用输水动力)和外带动力泵的施肥器(泵)四种。而肥料的施入主要是通过在滴灌系统首部的输水管道上外接一个施肥器(罐)，利用灌溉系统本身的动力或外加动力将液体肥料从管道的一侧加注到输水管道中。
4.众所周知，输水过程中管内水流的沿程水头损失与管道中水流速度的平方成正比，为了降低输水能耗，通常在管路系统设计时将输水管内的水流速度控制在经济流速范围内，即流速在3m/s左右。由于流速较小，其流态接近于层流，管内不同位置，特别是靠近管壁的上下层水流之间以及两侧水流之间的扰动较小，而施肥设备的肥液入口则是设置在输水管的一侧，且肥液的流量和压力都相对很小，所以水流在流动过程中，肥液很难与水流高度混参，这样肥液就主要集中在管道的一侧，尽管输水管内存在肥液浓度差，可促使肥料扩散，但速度相对较为缓慢。特别对于较小的灌溉系统，输水管路较短，当含有肥液的灌溉水进入田间灌水小区的毛管时候，由于管道中灌溉水的肥液浓度不均匀，所以就会出现不同毛管内肥料的浓度和含量也不相同的现象，导致田间施肥不均匀，继而影响作物整体长势和产量，降低水肥利用效率。因此提高水肥一体化过程中灌溉水的施肥均匀度是提高灌水质量和水肥利用效率的重要环节和措施之一。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有水肥一体化灌溉系统中存在水肥混合均匀度低而导致的田间施肥不均匀不高的缺陷，提供一种提高灌溉系统水肥混合均匀度的装置，安
装在施肥设备的后端，提高水肥一体化灌溉系统的水肥混合液的均匀度，从而达到提高田间灌溉施肥均匀度的目的。
6.本实用新型根据水力发电机工作原理(在压力水流作用下，发电机叶轮就会旋转，叶轮旋转带动发电机工作的同时，也在扰动水流)，在水肥一体化灌溉系统首部的施肥设备注肥口后端(施肥设备下游段)增加一个简单的水肥混合液搅拌装置，该装置的核心是在输水管道内增加一个可以利用管内压力水流自身的动能驱动的水流扰动装置
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叶轮，该叶轮固定在管道内，可以自如旋转，直径略小于固定管道，当水流通过时，水力动能驱动叶轮转动，叶轮的旋转将带动管道内水肥混合液流的旋转。通过对水肥混合液的旋转扰动，实现提高水肥混合的均匀度的目的。叶轮转速越高，水流的扰动越剧烈，水肥混合越均匀。
7.其技术方案如下：
8.一种提高灌溉系统水肥混合均匀度的装置，包括壳体2、叶轮3、叶轮轴套5、固定支架6、固定支架轴套7，装置两端分别和输水管的异径接头1连接，所述叶轮3上设置有叶片4，所述叶轮3的中心有一个绕固定轴8转动的叶轮轴套5，所述叶轮3的后部设置有一个固定支架6，固定支架6的前端纵断面为十字形支架，十字形支架的中心有一个固定支架轴套7，叶轮3和固定支架6通过固定轴8连接在一起，所述固定轴8的前端有一个轴帽9，所述轴帽9的后面设有一段光滑圆柱段，作为叶轮3的转轴之用，其余部分为带螺纹的螺杆，螺纹段的长度约为固定支架轴套7长度的两倍，通过前后两颗螺丝帽10将固定支架6与固定轴8固定为一体。
9.进一步，所述异径接头有一个小口和一个大口，所述小口连接输水管，所述大口连接混肥装置。
10.进一步，对于混肥装置外壳直径≤50mm时，所述叶轮轴套5的长度5mm。当对于混肥装置外壳直径＞50mm时，上述叶轮轴套5的长度也相应增大，以适应叶轮强度的需要。
11.再进一步，所述光滑圆柱段的长度比所述叶轮轴套5的长度长3mm-5mm。
12.进一步，所述固定支架6为圆管形。
13.进一步，所述叶轮3上设置3到个或4个叶片。
14.本实用新型的有益效果：
15.本实用新型在水肥一体化灌溉系统的施肥设备后端的管路中安装一个内部设计有叶轮的管式水肥搅拌混合装置，该装置利用水流自身的动力驱动叶轮旋转，叶轮旋转带动水流旋转，使得水肥混合液通过叶轮时，在叶轮所在的断面处产生水肥高度混参，实现对水肥混合液的扰动并达到均匀的目的。
16.本实用新型的农田水肥一体化灌溉施肥系统中提高水肥混合均匀度的装置具有以下特点：
17.1、结构和原理简单：本实用新型的提高水肥混合均匀度的装置采用与灌溉系统输水管同径的一段管子，内镶一个可以旋转的叶轮，利用压力水流驱动叶轮旋转，进而带动水流旋转，通过管内水体的高度扰动，就可有效提高灌溉水与肥液的混合均匀度。
18.2、性能可靠：利用压力水流的推力驱动叶轮旋转是一项很成熟的技术，在水力发电中有广泛的应用。本实用新型利用了叶轮旋转时也带动水体旋转的这一特性，设计提出了该水肥混合装置。
19.3、廉价实用：由于系统构成和部件结构简单，装置所需的配件较少，可全部采用塑
料材料制作，所以制造成本较低。在实际使用时，只需将该装置连接到水肥一体化灌溉系统中注肥设备后端的输水管路上即可，利用灌溉水流自身的动力驱动运行，实现水肥均匀混合。由于叶轮转动只带动水流旋转扰动，没有其他负载，所以压力水流驱动叶轮旋转时的水头损失较小，能量损耗少。
附图说明
20.图1为本实用新型提高灌溉系统水肥混合均匀度的装置的结构示意图；
21.图2为本实用新型装置内部旋转机构纵剖面放大示意图；
22.图3为叶轮及固定部件结构侧视放大示意图，其中，a为叶轮，b为固定支架；
23.图4为水肥一体化灌溉施肥系统包括抽水加压装置的结构示意图；
24.图5为水肥一体化灌溉系统管道上的连接示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步详细地说明。
26.参照图1，一种提高灌溉系统水肥混合均匀度的装置，包括壳体2、叶轮3、叶轮轴套5、固定支架6、固定支架轴套7，所述装置两端分别和输水管的异径接头1连接，所述异径接头上设有一个小口和一个大口，所述小口连接输水管，所述大口连接混肥装置。壳体2内径略大于输水管内径，具有旋转扰动水流作用的叶轮3，叶轮3上设置有叶片4，叶轮3上设置3到个或4个叶片为宜，叶轮3的中心有一个可以绕固定轴8转动的叶轮轴套5，叶轮轴套5的内径略大于固定轴8的外径，便于安装，叶轮3的后部(下游)设置有一个圆管形固定支架6，所述固定支架6的外径标称与混肥装置壳体2内径一致，固定粘结时确保紧密接触，固定支架6的前端纵断面为十字形支架，十字形支架的中心有一个固定支架轴套7，所述固定支架轴套7的内径略大于固定轴8的外径，便于安装，叶轮3和固定支架6通过固定轴8连接在一起。固定轴8为一个类似于螺杆形状的构件，固定轴8的前端有一个防止叶轮3脱落的轴帽9，轴帽9的后面有一段长度略长于(≥3mm,≤5mm)叶轮轴套5(比叶轮轴套5长5mm左右)的光滑圆柱段，作为叶轮3的转轴之用，其余部分为带螺纹的螺杆，螺纹段的长度约为固定支架轴套7长度的两倍，通过前后两颗螺丝帽10将固定支架6与固定轴8固定为一体。
27.上述部件均采用高分子高密度塑料材料。将上述部件按上图1所示结构进行组装，即可构成一套提高水肥一体化灌溉系统水肥混合均匀度的混肥装置。
28.一种提高灌溉系统水肥混合均匀度的装置的操作方法，包括以下步骤：
29.将混肥器前端(叶轮3所对的方向)的异径接头1与水肥一体化灌溉施肥系统首部的施肥器(或注肥装置)后端输水管相连接，另一端(叶轮固定支架8所对的方向)的异径接头1与水肥一体化灌溉施肥系统田间配水方向的输水管相连。
30.当启动水肥一体化灌溉施肥系统后，输水管内的压力水流与从施肥设备中注入管内的肥液将快速进入混肥装置的壳体2内，继而紧接着冲击到叶轮3的叶片4上，叶片4是一个内外两端面积大小不等的片状物，外端大，内端小，内端平面正对水流方向，且固定在叶轮3的叶轮轴套5上；外端为具有扭面结构形状的自由端，使得叶片4的大端外端具有一个倾斜的迎水面。叶轮3是通过叶轮轴套5安装在固定轴8上，叶轮轴套5与固定轴8之间留有一定间隙，当叶轮轴套5的内壁和固定轴8无螺纹段的外壁比较光滑时，在外力作用下，叶轮3可
以轻松绕固定轴8转动。而固定轴8的带螺纹段是通过固定支架6的固定支架轴套7，用两颗螺丝帽将其与固定在固定支架6上，这样由叶轮3、固定支架6、固定轴8就构成了一个可以转动的机构，当叶轮3受到一个驱动旋转的外力作用时叶轮就可以绕固定轴8转动。根据水流的水力学特性，当水肥混合液流经叶轮3时就会在叶片4的迎水面上产生冲击力，特别是在叶片径向的外端将产生一个与水流方向垂直的分力，这个分力(也可以称之为扭力)将使叶片4相对于转轴8产生扭矩，4个叶片在4个不同的位置产生了同时绕转轴8旋转的扭矩，4个扭矩的共同作用使得叶轮3带动轴套5围绕转轴8发生转动，叶轮3的转速快慢与通过的水流流速有关，流速越快，叶轮转速越快。叶轮3转动的同时，由于叶片4的扭面结构，叶片4外端将驱动扭面背水面的水流产生垂直于水流方向的横向运动，4个叶片在4个方位同时驱动水流横向运动，这样原来沿管式混肥装置管中心线方向(一般为水平方向)运动的水流就被扰动，使得管内的水体在横断面上发生混参，肥液比较集中部位的液体被断断续续的带到其他不同部位，从而使得肥液比较均匀的分布在管内的液体中，达到水肥混合液在进入田间之前就混合均匀的目的，最后以相同的肥液浓度将水肥混合液配施于灌水小区的每一棵作物根区，有利于作物群体生长均匀，提高水肥利用效率和作物产量。
31.鉴于大多数水肥一体化灌溉系统中输水管内流速不是很高，为了提高混肥效果，管内水肥混合液的流速就不能太小，为此，安装叶轮管段的直径不宜大于输水管道直径太多，最好控制在2.0cm以内。同时为了便于水流扰动装置固定，安装叶轮的管段也不宜太长，以不影响叶轮的安装和旋转为宜。
32.实施例：
33.有一块设施农业种植区，包括6个日光温室大棚，大棚规格为60m
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8m，6个日光温室大棚全部栽植的是西红柿，采取0.4m
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0.8m宽窄行栽植，西红柿栽植的行距为0.4m，株距为0.3m。采用水肥一体化灌溉施肥技术，6个大棚采用同一个灌溉系统，即首部共享，同一个水源，包括加压设备、水质过滤设备、注肥设备，首部距离最近的大棚50m，距离最远的大棚90m。为了6个大棚的供水压力基本接近，减小水头损失，首部到各个温室大棚的输水主管道为φ50mmupvc管(内径为40mm)，当输水流量为6m3/h时，通过计算，此时输水管内的流速为1m/s。进棚的分水支管为φ40mmupvc管(内径为32mm)，在大棚入口处通过φ40mm球阀控制，并与棚内配水支管相连，配水支管采用φ40mmupvc管，田间采用膜下滴灌技术，采用一行一管(即1行西红柿铺设1条滴灌管)的布设方式，滴灌管为φ16mm内镶片式滴头，滴头间距30cm，滴头出水流量2.8l/h。这样每1个大棚的设计灌水流量为6m3/h，按每次只供1个大棚灌溉设计，灌溉系统需要提供的流量为6m3/h。
34.注肥设备为文丘里施肥器，施肥器规格为1吋(注肥管外径为φ32mm，内径为φ25mm)，考虑到不是每次灌水都需要施肥，所以采用施肥器与输水主管道并联安装的方式。另外，现在水肥一体化灌溉所加施的的肥料基本上都是液态肥或溶解度比较高的可溶肥，且在肥液入口处配置专用的过滤器。为了避免后置过滤器影响过流而产生的雍水造成施肥器后端压力抬升，继而影响施肥器(以压差实现吸肥)吸肥流量的发生，因此灌溉系统过滤器前置，放置在加压设备的前面，主要过滤灌溉水中的杂物之用。
35.如图4所述，一般水肥一体化灌溉施肥系统包括抽水加压装置11、过滤装置12、注肥装置13、输水管道14和田间灌水管网15，所述抽水加压装置11、过滤装置12、注肥装置13和田间灌水管网依次连接。
36.以文丘里施肥器为例，其在水肥一体化灌溉系统管道上的连接示意图如图5所示，灌溉系统首部过滤器与施肥器之间沿水流方向通过第一压力表16、过滤器17、闸阀18、文丘里施肥器19、液肥罐20、第二压力表21和第三压力表22连接。
37.文丘里施肥器是与输水管道并联吸肥后再注入输水管，也就是肥液从输水管的一侧注入，由于输水管内水的流速和注肥管内肥液的流速都较小，肥液注入到输水管道后肥液很难快速与水流发生剧烈混参，出现水肥混合均匀度不高的现象。为了提高水肥混合均匀度，可以考虑在注肥器的后端的输水管道上增加一个搅拌装置，增加水肥混合液的扰动程度，达到提高水肥混合均匀度的目的。方案如下：
38.针对上述水肥一体化灌溉系统，根据混肥装置所需的构件，首先准备2个φ63
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φ50mmupvc异径接头和一段长度为40cm的φ63mmupvc管。其次准备1个直径为φ6mm，长度为10cm，带有5.5cm长度螺纹的螺杆及与之配套的螺帽2个(材质为不锈钢或聚氯乙烯均可)；2个长度为30mm，壁厚为2mm，内径为7mm的聚四氟乙烯(或聚氯乙烯)套管；1个最大外径为φ50mm，具有4个叶片，中心孔为φ9mm的硬质塑料(聚氯乙烯)叶轮；准备1个长度为6cm-8cm，外径为φ50mmupvc管，管子的一端端口用聚氯乙烯板材(厚度3mm,宽度10mm)，按照十字形结构与前述聚四氟乙烯(或聚氯乙烯)套管中的一个按照图3中的固定支架6结构相粘结。下一步进行混肥装置组装。先组装混肥装置内部旋转机构：将叶轮按图2的结构安装到另外一个套管上，然后将套管安装到螺栓上，螺栓上套上螺母，到螺纹尽头拧紧，再将固定支架安装到螺栓上，套上另外一个螺母拧紧，混肥装置内部旋转机构组装完成。在此基础上，将固定支架装入φ63mmupvc管，φ50mmupvc管与φ63mmupvc管用橡胶止水胶圈固定，固定支架的末端与φ63mmupvc管管口齐平，最后，用事先准备的2个异径接头按照图1的结构形式，用upvc管专用胶与灌溉输水管路上相连接，等接口凝固后即可实施灌溉施肥，利用水流带动混肥装置的叶轮旋转，进而扰动水肥混合液，达到提高水肥一体化灌水施肥过程中水肥液的混合均匀度的目的。
39.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，本实用新型的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本实用新型的保护范围内。