第四节　射流式喷头

一、射流喷头的种类及结构形式

全射流喷头是基于附壁效应的中国原创节水喷头，利用水流的附壁效应改变射流方向、通过水流的反作用力获得驱动力的旋转式喷头。也就是说，喷灌的压力水通过安装在喷管出口处的射流元件时，射流元件不但要完成均匀的喷洒任务，而且还要完成驱动喷头的正、反转动任务。由于所有工作都是利用射流本身的特性实现，所以称作全射流喷头。［12］

1．PSF型反馈式全射流喷头

1981年，镇江农业机械学院（现江苏大学）和江苏省启东县吕四机修厂合作，应用两相附壁射流基本理论研制成功PSF-50型反馈式全射流喷头。图2-33为PSF型反馈式全射流喷头结构图，图2-34为水射流元件结构图［13，14］。

2．连续式全射流喷头

图2-35为方截面连续式射流元件立体剖面结构图，这种射流元件流道的中心线设计成与空心轴轴线所在的铅锤平面成某一偏角，喷头正转时，射流元件左右控制孔开启，射流元件相互作用区内两边压力相等，射流沿左壁射出产生反作用力，促使喷头向左转动［15］。

3．PSH型互控步进式全射流喷头

1984年，浙江嵊县研究开发了PSH互控步进式全射流喷头，图2-36为PSH型喷头元件结构图［16］。

4．PSZ型自控全射流喷头

图2-37为PSZ型喷头元件结构图［17］，它是原浙江省兰溪县农机修造厂研制的一种全射流喷头，其驱动机构主体是一个带有栅状反馈流道的不等位差射流元件。对这种喷头的步进机理，黄志斌提出是因为“超大位差”和“拟负压切换”。

5．双击同步全射流喷头

1990年，浙江嵊县抽水机站韩小杨等人研制了一种双击同步全射流喷头［18］（图2-38），这种喷头在射流元件出口处设置了一个与摇臂式喷头相同的挡水板。当有压水从喷嘴中射出时，取水间隙由于高出相互作用面控制信号流，经背部流道堵死另一侧的相互作用孔，主射流在大气压的作用下产生附壁效应，折射的水流同时冲击射流元件和置于元件外的挡水板，产生两次推力推动喷头步进，达到双击同步射流元件的作用。瞬间信号流中断，水流又恢复直射，如此周而复始推动喷头步进。

6．PXH型隙控式全射流喷头

2005年，江苏大学开发出PXH型隙控式全射流喷头，图2-39为PXH型隙控式全射流喷头的装配图，本书中简称其为全射流喷头，图2-40为射流元件体的剖面图。这种喷头设计时左右不同位差，喷头工作时首先左边由反向小孔补气，右边靠间隙补气，两边压力相等，水流直射，喷头静止；信号水从信号嘴中取出流入入水孔堵住间隙，左侧压力大于右侧，主射流向右侧附壁，喷头步进转动；此时，信号嘴脱空接到空气，导管中的信号水抽完之后，空气进入入水孔，主射流恢复直射，如此反复循环。当步进到反向小孔被堵死的状态下，右侧压力大于左侧，主射流反向附壁，喷头反向转动。

射流元件体由反向补气嘴、信号水接嘴、出口盖板、信号水入水嘴、导流管组成。研究过程中，主要对射流元件体进行水力分析。在射流元件体的外壁上，一边设有信号水接嘴及位于其下方的反向补气嘴，另一边设有信号水入水嘴，信号水接嘴与信号水入水嘴经导流管相连，射流元件体上端设有出口盖板。利用水流附壁效应，信号水接嘴中信号水的截取及流动，使主射流某一侧间断性形成低压旋涡区，反向补气嘴开启及关闭使主射流另一侧高低压间切换，从而使主射流左右两端形成压差，实现水流的附壁，完成喷头的直射、步进和反向运转。

二、全射流喷头设计理论

（一）射流附壁效应

1．有限空间射流

图2-41为有限空间射流结构图，有限空间射流是指射流自喷嘴或孔口流出后，流入一有限区域（或周边区域受到约束）的流动。与自由射流相比，由于射流出流后受到固体边壁的约束，射流的扩展受到固壁的限制，并由此产生不可忽视的轴向压力梯度，因此有限空间射流的扩展以及流场各变量的分布呈现出与自由射流不同的规律与形状［19～21］。

有限空间射流流动的结构可以分为四个不同的流动区域。在第一区域，射流核心速度保持不变，即有流核存在。在外层，由于固壁边界的影响，被引射流受到固壁的剪切作用，且射流与被引射流之间还由于射流边界层的剪切作用而发生能量、质量的交换，此区称之为核流区。第二区域为基本区，在此区域，随着能量、质量交换的加剧，射流边界层迅速扩展到壁面，核流消失，此区域是有限空间射流流动的最基本区域。第三区域称之为回流区，这是一个可能存在的区域。如果射流在扩展到固壁之前，卷吸了所有的被引射流，则固壁边界层会发生分离，在流动向上产生回流，所以称之为回流区。第四区域为管流区，在环流区内边界层由分离到再附，在再附点之后（无回流产生则在射流扩展到固壁后），射流与被引射流混合接近均匀，流速趋于一致，在下游较远区域呈现出完全管流的流动特性。有限空间射流与自由射流及伴随射流的最大不同在于：由于固壁的约束，有限空间射流存在轴向压力梯度及流动中可能出现回流。

如上所述，有限空间射流在出流后，受射流边界层和壁面边界层的相互作用，涉及具有逆压梯度的边界层流动、边界层分离与再附、有压力梯度下射流的混合与势流的扩展等问题，其流动一般不具有相似性，远比自由射流复杂。

2．射流附壁

基于以上提到的有限空间射流，图2-42为射流的卷吸作用示意图，射流元件内部流动，可看成水流从一个狭小的喷嘴中射向大气。此时，边缘射流的分子与周围静止的空气发生冲撞，使原来静止的气体一起流动，这就是射流流动过程中的卷吸现象。图2-43为射流附壁效应原理图，主射流到左右两侧的距离不同，左侧空间大于右侧空间（S1＞S2），卷吸过程中由于时间很短，可以看成左右两侧被主射流带走的空气分子一样多，由于右侧空间小，补气比左侧要困难，所以右边的空气比左边稀薄，右边气压比左边气压低，当压差达到一定值的时候，主射流向右偏转，就是“射流附壁效应”现象［22-28］。全射流喷头的射流元件利用射流的附壁效应形成水流反作用力来推动喷头的转动。

（二）全射流喷头工作原理及技术参数

全射流喷头的工作原理如下：

直射状态：如图2-44（a）所示，水流从孔D喷射到作用区内，主射流从中心圆孔喷射出来，主射流左右两端相互分隔，两端空气不能流通。水射流元件体左侧的反向补气嘴开敞着，由此向左腔补气，元件右侧出口处与水束之间的间隙C补入空气，因此左右两边压力基本相等，主射流呈直射状态，喷头静止。与此同时，信号水接嘴在水束的左侧边缘上取得信号水，取到的信号水在导流管中向信号水入水嘴方向流动。图中I表示信号嘴插拔深度。

步进状态：如图2-44（b）所示，信号水接嘴中取出信号水流入入水嘴，间隙C越来越小，最终被堵死，右边形成低压旋涡区，左侧压力大于右侧。压差达到一定值时，主射流向右侧附壁，水流通过出口盖板的倒角对喷头产生推动力使喷头向右步进转动。在附壁状态下，由于主射流的弯曲，信号水接嘴脱空取不到任何信号水，只接到空气。导流管中的信号水抽完之后，空气通过导流管进入入水孔，两边压力相等，主射流恢复直射，如此反复循环，喷头自控完成直射—步进—直射—……循环动作。

反向状态：如图2-44（c）所示，反向管与换向机构相连，调节限位环可以控制喷头喷洒的角度，喷头步进到换向机构受到限位环限制时，反向补气嘴被堵死，左腔中不再有空气补入，形成低压旋涡区，右腔中仍有空气从间隙C补入，右侧压力大于左侧，主射流向左侧附壁，喷头连续反向转动。转动到限位环另一侧，反向补气嘴重新打开，空气进入左腔，与右腔的压力差相平衡，反向运转才终止，恢复直射。如此反复循环，附壁射流式喷头自控完成直射—步进—……反向—直射—步进……的喷洒作业。

由于射流元件体有效方便地控制信号水接嘴中信号水间断性的截取，限位环有效方便地控制反向补气嘴的开启或关闭，可实现喷头自控完成间断性的步进、反向工作，实现扇形喷洒功能。表2-5为全射流喷头主要技术参数，经测试，在达到表2-5要求的性能参数前提下，喷头的喷洒均匀性、雨滴大小及雾化指标等要明显优于PY2型金属摇臂式喷头，各种型号喷头在额定工作压力上下100kPa范围内可以正常工作，喷头价格比现用农用喷头降低20%以上，填补国内空白。

（三）重要结构参数

图2-45为射流元件体的三维结构示意图，图2-46为射流元件体简图，从图中可以看出，射流元件体重要结构参数包括收缩角γ、基圆孔、补气孔、入水孔、取水孔角度β、位差H和作用区L，图中A线表示基圆孔出口位置。

射流元件收缩角γ的确定［29-31］。为了保证喷嘴出口的水流具有较小的紊流程度，喷嘴出口处的流速分布应符合紊流状态下圆管均匀流动的流速分布，即沿流线方向的最大流速应位于圆管的轴线。为此，元件喷嘴的进口段应有圆滑过渡段和出口端的直线段，以使水流经变向、变形和收缩后达到一个调整稳定的作用。在设计过程中，收缩角过大则会导致水流稳定度不够，过小则会增加喷头的总体尺寸。

基圆孔直径D的确定：对任一种喷头，确定其喷嘴尺寸的大小尤为重要，喷嘴截面积根据下式计算：

补气孔和入水孔的确定：全射流喷头的补气孔和入水孔仅起到导通作用，因此设计方法相同。

取水孔角度β的确定：射流元件的控制部分必须保证有信号流的存在，同时它也决定了信号流的质量，由于主射流表面是气水混合物，信号流中气的存在对主射流附壁有一定的影响，所以在设计时要保证接到的信号流水多气少。

位差H的确定：位差的选择是保证水流能否正常附壁并产生足够大的力矩使喷头前进的前提，它决定元件的附壁性能和推力的大小，为了保证尽可能短的附壁位置，位差不宜过大。

作用区L的确定：作用区的长短决定射流淹没的长度和掺气量的多少，射流的淹没长度越大，掺气量越多，水流的扰动越剧，边界层中动量交换就越充分，水流的阻力损失就越大。为了保证射流有较好的附壁性能，减少阻力损失，作用区不宜过长。

三、全射流喷头结构优化及设计方法

（一）试验研究

全射流喷头样机在江苏大学室内喷灌试验大厅内进行试验，图2-47为喷灌试验大厅实物照片。该试验大厅为直径44m的圆形大厅，作为室内试验场地，排除了风力等因素的影响。测试时利用基于RS485型总线分布自动测量系统测量点喷灌强度，精度为0.01s的秒表测量喷头旋转速度，米尺测量验证喷头的射程，测量数据准确、可靠［32］。

对于旋转式喷头，在工作过程中，旋转运动时步进频率和步进角度都是喷头工作稳定性重要的性能指标。有必要对全射流喷头结构参数对步进频率和步进角度的影响规律进行深入研究，并获得各因素影响的主次顺序。

采用正交试验［33-36］，改变各个结构参数进行对比研究，分析各结构参数对步进频率和步进角度的影响，从而提出喷头最佳结构尺寸。

1．试验目的

探索喷头结构参数对步进频率和步进角度的影响规律，提出全射流喷头最佳结构尺寸。

2．试验因素和试验方案

全射流喷头重要结构参数中，基圆孔直径D大小由喷头型号决定，补气孔和入水孔起到导气和导水的作用。因此，选取直接影响步进频率和步进角度的参数位差H（mm）、作用区L（mm）、收缩角γ（°）、取水孔角度β（°）作为试验因素。根据喷头设计原理，设定因素A、B、C、D分别代表H、L、γ、β。选型号为10PXH的喷头在工作压力为0.25MPa，流量为0.82m3/h下进行试验研究。因素水平选取如表2-6所示，选用L9（34）正交表，表2-7为试验方案，通过试验得出上述结构参数对步进频率和步进角度的影响规律。

图2-48为正交实验时射流元件体的实物照片，样机加工过程中，为了提高制造精度，将射流元件体分成上下两节并采用螺纹连接，其中射流元件腰圆孔处采用线切割，加工尺寸与设计尺寸公差控制在0.02mm以内。

3．正交试验结果分析

判定喷头性能指标中包括步进频率和步进角度。全射流喷头直射时间与附壁时间之和的倒数即为步进频率：设射流附壁点对其转动轴的转动惯量为JB，有

当t＝0，ω＝0时，上式解为

转角可得旋转角方程为：

测试结果如表2-8所示，可以看出6次试验喷头运行可靠，步进频率接近1Hz，步进角度超过1°。1、6、9号试验较为理想，第6号试验A2 B3 C1 D2的试验最优，步进频率为0.95Hz，步进角度最大，为2.8°。

采用直接分析法对试验结果进行分析，分析时，每个步进频率都减去1后取绝对值。表2-9为本次试验的计算结果。由表2-9得出各因素水平与指标的关系图，如图2-49和图2-50所示。

由表2-9中极差R的大小可知，对步进频率f各因素影响的主次顺序为CDAB，对步进角度φ各因素影响的主次顺序为ACDB。

由表2-9、图2-49和图2-50可得如下结论：

（1）因素A：位差H在2.6～3.0mm内变化，位差在2.8mm时，射流元件处于最佳工作状态，步进频率接近1Hz，步进角度最大。另外，试验中在基圆孔直径D为4mm的情况下，位差小于2.6mm和大于3.0mm，改变其他任何参数，喷头不能工作。

（2）因素B：作用区L在18～22mm内变化，作用区越大，步进频率越接近1Hz，步进角度越大。另外，试验中在基圆孔直径D为4mm的情况下，作用区小于18mm和大于22mm，改变其他任何参数，喷头不能工作。

（3）因素C：收缩角γ范围在14°～26°，收缩角越大，步进频率越偏离1Hz，步进角度越小，最佳收缩角为14°。

（4）因素D：取水孔角度β范围在30°～60°，取水孔角度越大，步进频率越偏离1Hz，步进角度越小，最佳取水孔角度为30°。

（二）全射流喷头设计方法［37］

对全射流喷头提出理论与设计方法具有很高的学术价值与实用意义。对15PXH、20PXH、30PXH、40PXH和50PXH喷头进行相同的正交试验研究，图2-51为系列喷头正交实验的实物照片，每种型号喷头制造9个样机，总共进行了45次试验，得出全射流喷头重要结构参数尺寸。

1．射流元件位差、作用区长度计算公式

（1）系数公式。在大量试验研究的基础上，总结出了射流元件作用区长度及位差的计算公式。

作用区长度

位差

D越大，系数越小；系数取值见表2-10。

（2）回归公式。利用二次曲线方程进行回归分析得到位差比率（H/D）和作用区长度L计算公式，图2-52所示为位差比率与喷嘴基圆直径之间关系曲线图，图2-53所示为作用区与喷嘴基圆直径之间关系曲线图。对图2-52和图2-53经过回归处理后得出位差比率与基圆直径之间的函数关系式为作用区与基圆直径之间的函数关系式为

式（2-61）和式（2-62）为本节提出的全射流喷头作用区L、位差H与基圆直径D的函数关系式，为以后射流旋转式喷头的设计提供依据。

2．出口盖板尺寸

全射流喷头的出口盖板尺寸同样是喷头设计的关键尺寸，直接关系到喷头能否正常工作。出口盖板尺寸由盖板左位差、右位差、内倒角及出口直线段组成。

（1）左位差（步进侧）推荐公式。

（2）右位差（反向侧）推荐公式。

D越大，系数越小。系数取值见表2-11。

（3）盖板出口直线段的长度。该长度一般控制在0.5～0.8mm。如果长度太小，盖板易磨损，影响喷头元件的使用寿命；若长度太大，补气间隙补气时气阻太大，元件工作时射流直射不充分，影响射程。

（4）盖板出口左、右内倒角。内倒角大小直接影响到射流步进和反向状态时的弯曲方向，该方向又直接影响喷头步进、反向的驱动力矩的大小。一般情况下，内倒角内侧起始于作用区位差外，终止于盖板出口直线段的下部。

3．导管长度与步进角度之间的关系

通过大量试验，得到PXH30型喷头导管长度与步进角度之间的关系为

四、新型射流喷头结构设计

附壁射流喷头是我国具有自主知识产权的喷头。因此，继续研制开发新型的射流喷头，推广射流技术是一项有意义的研究。本部分基于射流附壁效应提出连续运转射流喷头、外取水射流喷头、三段式射流喷头和两次附壁射流喷头的结构和工作原理。研制出两种新工作原理、新结构的射流喷头，丰富国内原创的喷灌设备。

1．连续运转射流喷头

图2-54为连续运转射流喷头总装图，在研究过程中，主要对喷头射流元件体进行水力分析。图2-55为连续运转射流喷头水力结构图，上方为喷头右侧，下方为喷头左侧。喷头左侧打通了一个与大气连通的补气孔，另外用一根导管将信号嘴1、2连接在一起，起到导通水流的作用，它的工作原理为水流的附壁效应。在工作过程中，水射流从孔D中流出，进入突扩的作用区内，射流分子与周围静止的空气发生冲撞，与原来静止的空气一起流动，即水射流的卷吸作用。卷吸过程时间很短，可认为左右两侧被主射流带走的空气分子数目相同，因此左右两侧靠近孔D处都会形成低压旋涡区。

由于低压旋涡区的存在，左侧能从补气孔中补入空气，使左侧压力升高。同时左侧信号嘴1插入一定的深度取到信号水，利用连接信号嘴1、2的导管将信号嘴1取到的信号水输入到信号嘴2中，保证右侧没有空气的流入。因此，右侧气压比左侧气压低，左侧的压力大于右侧。当水射流流速足够大，使左右压差达到一定值的时候，主射流向右偏转，形成附壁现象。水射流出口处，出口盖板尺寸比作用区的尺寸小，因此它们之间有倒角的存在，根据作用力与反作用力的理论，水射流对喷头始终有一个驱动力。试验证明工作压力足够大时，主射流向右侧附壁能推动喷头运动，并一直存在着左右压差，形成连续运转射流喷头。

连续运转射流喷头与全射流喷头工作原理的不同点在于：对于全射流喷头，当主射流向右偏转，形成附壁现象时，信号嘴1接不到信号水，导管中的水被主射流抽完之后，左侧与右侧连通，两侧压力相等，主射流恢复直射，如此反复循环，喷头完成间断性步进。连续运转射流喷头使信号嘴1一直接到信号水，左右两侧一直存在压差，从而主射流一直附壁，喷头完成旋转运动。相对而言，由于始终有一个推动力的存在，连续运转射流喷头工作更加稳定、可靠［38-40］。

2．外取水射流喷头

对于射流喷头，其转体连接座、空心轴、喷体等部件可以通用，主要对喷头射流元件体进行结构改造。图2-56为外取水射流元件体水力结构图，设定图示上方为喷头右侧，下方为喷头左侧。射流元件体由反向补气嘴、信号水接嘴、出口盖板、信号水入水嘴、导流管组成。在射流元件体的外壁上，右侧设有信号水接嘴及位于其下方的信号水入水嘴，左侧设有反向补气嘴，信号水接嘴与信号水入水嘴经导流管相连，射流元件体上端设有出口盖板。利用水流附壁效应，信号水接嘴中信号水的截取及流动，使主射流某一侧间断性形成低压旋涡区，反向补气嘴开启及关闭使主射流另一侧高低压间切换，从而使主射流左右两端形成压差，实现水流的附壁，完成喷头的直射、步进和反向运转。

工作过程如下：水流从孔D喷射到作用区内，作用区左右两端形成低压旋涡区。喷头左侧由反向补气嘴补气，右侧由信号水接嘴补气，两侧压力相等，水流直射，喷头静止。信号水接嘴中取出信号水流入信号水入水嘴，使右侧没有空气补入，右侧形成低压旋涡区，左侧压力大于右侧，主射流向右侧附壁，水流通过出口盖板的倒角对喷头产生推动力使喷头步进转动。此时，由于水流在作用区内往右侧附壁的水流在出口处向左偏转，信号水接嘴脱空取不到任何信号水，只接到空气，导流管中的信号水抽完之后，空气进入信号水入水嘴，两侧压力相等，主射流恢复直射，如此反复循环，喷头自控完成直射—步进—直射—……循环。反向管与换向机构相连，当步进到反向机构受到限位环限制，将反向补气嘴堵死，左侧形成低压旋涡区，右侧压力大于左侧，主射流反向附壁，喷头反向转动，转动到限位环另一侧，补气嘴重新打开，空气进入左腔，与右腔的压力差相平衡，反向运转终止，恢复直射。如此反复循环，外取水射流喷头自控完成直射—步进—……反向—直射—步进……的喷洒作业。

3．三段式射流喷头

图2-57为三段式射流喷头元件体几何结构图。设定图示上方为喷头右侧，下方为喷头左侧，从图2-57中可以看出，用连接导管连接左右信号嘴，中间连接节流嘴使气水分离。

节流嘴为一类似三通的结构，孔1与喷头上的左侧信号嘴连接，孔2敞开在大气中，孔3与右侧信号嘴连接。从左侧信号嘴取出来的信号流为气水混合物，经过节流嘴孔1后，气从孔2中逸出，水从孔3流入右侧信号嘴。此时，信号流全为水而不存在气，因此节流嘴起到气水分离的效果。

三段式射流喷头步进工作原理如图2-58所示，当有压水从喷嘴射出时，左侧信号嘴由于紧贴元件体壁面取得信号控制流，经导管流道堵死右侧的相互作用孔，主射流在大气压的作用下产生附壁效应，在附壁过程中将导管中的水流抽干，瞬间信号流中断，水流又恢复直射，如此周而复始推动喷头步进。

工作过程如下：首先，反向小孔开启，由孔2向右侧信号嘴补气，左右腔均为大气压，主射流直射，喷头静止。左侧信号嘴从主射流取水，堵住节流嘴上孔3，孔2中的气进不了右侧信号嘴，左腔压力大于右腔，主射流向右附壁，喷头步进。附壁过程将导管中的信号水抽完，空气由孔2进入右侧信号嘴，左右腔压力相等，主射流恢复直射状态，如此反复循环。当喷头步进到一定位置，反向小孔被堵，空气从节流嘴孔2中进入右侧信号嘴补气，右腔压力大于左腔压力，主射流向左附壁，完成反向转动。

4．两次附壁射流喷头

对于射流喷头，普遍存在的一个问题是当工作压力、喷射流量较小时，水射流流速太小而推不动喷头做旋转运动。在两次附壁射流喷头的基础上，提出将作用区设计成斜扩形或加大位差可以增加其附壁力的大小，要注意的是过大增加位差则会出现超大位差现象。图2-59为两次附壁射流喷头元件体几何结构图，从图2-59中可以看出，它由主喷嘴和附喷嘴两部分组成。在工作过程中，利用全射流喷头提出的工作原理控制附喷嘴使其间断性附壁切换，使主喷嘴中信号水入水孔间断性取得信号水，从而使主喷嘴间断性附壁，完成喷头步进运动。也就是说水流通过两次附壁使喷头实现运转。此喷头优点在于按照理论设计出来的喷头工作稳定可靠，而且能方便控制其旋转角度和步进频率等工作参数。

超大位差是指增大元件的位差，使该元件失去负压切换功能，这时元件为具有超大位差的水射流元件。如图2-59中，加大右侧壁的位差至封住信号水入水孔时，主射流也不会作负压切换，这时由于主射流的卷吸作用，使附喷嘴给予主喷嘴的信号水大部分被主射流卷走，少量留在作用区右侧的空间内形成附于主射流右侧表面的涡流。因为附喷嘴给予的信号水加入主射流，致使新形成的主射流在作用区右侧所占据的空间增大，即主射流在作用区右侧的体积增大。若用V表示新增加的体积，则V是时间t的函数V＝f（t），随着时间的推移而增大，当V增大到某一数值时，右侧的大气补给量比左侧（通大气）小，主射流向右偏转，附于右侧壁，由于位差加大，水射流对喷头驱动力加大，喷头向右步进。当主射流附于右侧壁时，主射流又迅速恢复直射状态，这样喷头步进向右旋转。

五、全射流喷头与摇臂式喷头对比

驱动力矩大小是保证全射流喷头能否正常稳定工作的基础，对于目前已研制成功的全射流喷头，附壁力不仅要克服其所受的水流冲击阻力和旋转摩擦阻力，还要驱动喷头做旋转运动。在某些特定条件下如压力较小、水流中杂质引起摩擦力增大等的情况下，喷头不能稳定工作。本节研究目的是对比全射流喷头与摇臂式喷头的工作性能参数，并对全射流喷头进行力学分析，在全射流喷头喷管处适当位置加上转折角，使水流通过转折角时对喷头产生固有驱动力矩，用其来克服所受总阻力，以加强全射流喷头工作的稳定性和扩大喷头工作压力适用范围。

1．摇臂式喷头的重要性能指标

图2-60为摇臂式喷头工作原理图。如图所示，摇臂式喷头的工作过程大致可以分为5个阶段：①摇臂脱离射流阶段，射流自喷嘴射出冲向偏流板，摇臂很快脱离射流开始向外摆动，这时摇臂弹簧逐渐受扭，因而给摇臂一个相反的扭力矩。②摇臂减速阶段，摇臂头部脱离射流，断绝了动量来源，但在惯性力矩的作用下，摇臂以减速的方式继续摆动，弹簧的扭力矩随摇臂外摆角度的增大而增加，摇臂到最大摆幅位置，弹簧被扭紧，积蓄了摇臂从射流获得的能量。③摇臂回摆阶段，摇臂停止运动后，摇臂弹簧储存的能量开始作功，摇臂回摆。回摆时，摇臂作回速运动，转速不断增加。④摇臂切入射流阶段，摇臂以一定的角速度切入射流，摇臂的偏流板先受水，使水流方向改变，偏流板获得动能使摇臂加速进入射流。⑤碰撞阶段，摇臂以很大的角速度碰撞喷管式喷体，由于时间短，冲量矩很大，使喷头克服摩擦阻力矩而转动一个角度。碰撞结束后，喷头在摩擦阻力矩的作用下很快停止，此后重复以上过程。

在第1和第4阶段，射流迫使摇臂的运动主要受射流作用力影响，虽然同时还受弹簧扭力作用，但摇臂在水舌中转动角度很小，弹簧扭矩变化不大，因此扭矩值与水射流作用力相比仍然微不足道，故可以忽略。因此根据相对运动原理，可以得出式（2-66）摇臂的力矩公式和式（2-67）旋转角度公式［40］：

式（2-67）给出了弹簧转角与时间的关系，由于摇臂转角与弹簧扭转角有下列关系：φ＝φ0＋φb；故可以得到：

由式（2-68）可以得出最大摇臂张角为

同样可以得到摇臂自由运动时间或称摇臂撞击周期：

其倒数为摇臂撞击频率，从式（2-70）中可以看出，影响摇臂撞击频率的因素有摇臂转动惯量、弹簧系数、弹簧初始角速度等。

2.全射流喷头重要性能指标

全射流喷头利用水流附壁效应获得驱动力矩，由此可以推导全射流喷头力矩公式

旋转角方程

步进频率

全射流喷头的工作原理是靠负压使主射流进行切换，因此有必要研究在不同工作压力下，附壁过程中左右压差的大小。通过试验，图2-61为30PXH喷头不同工作压力各导管长度下，附壁过程中左右压差的值。从图2-61中可以看出，附壁过程中，导管越长则左右压差越大。这是因为导管越长则主射流抽空导管中水的时间就越长，水流卷吸越充分，右侧低压旋涡区负压值越高。工作压力越高，左右压差也越大，因为工作压力越高，水流速就越大，带走的空气分子越多，对于无补气一边的低压旋涡区，真空度也越大，因此左右压差更大。试验证明，附壁过程中，内部真空度的大小只与导管长度和工作压力有关，其他因素影响不大。

3.对比实验

喷头每次旋转的步进角度是喷头的一个重要参数，全射流喷头主要是靠改变导管长度来控制其每步的步进角度，摇臂式喷头主要是靠改变弹簧的初始位置来控制每次步进角度。选用30PXH型全射流喷头和PY1 30型摇臂式喷头进行实验对比分析，图2-62（a）为全射流喷头在不同工作压力下，导管长度与步进角度的关系曲线；图2-62（b）为摇臂式喷头在不同工作压力下，弹簧初始位移与步进角度的关系曲线；图2-62（c）为全射流喷头在不同工作压力下，导管长度与步进频率的关系曲线；图2-62（d）为摇臂式喷头在不同工作压力下，弹簧初始位移与步进频率的关系曲线。

从图2-62中可以看出，在相同管长不同压力时，全射流喷头每次转过的角度变化不大，可以忽略压力对它的影响。因此全射流喷头步进角度主要由导管长度决定，导管长度越长，则步进角度越大。摇臂式喷头步进角度主要受到工作压力的影响，工作压力越大，步进角度越大，不论如何调节弹簧，它的每次步进角度改变不大。在实际使用中，全射流喷头可以根据用户的需要通过改变导管长度来改变它的步进角度，从而达到用户要求的效果。

在不同工作状态下，要求喷头的步进频率也有所不同，全射流喷头可以通过调节导管长度来调节步进频率，方便可靠。试验结果表明对于摇臂式喷头，步进频率只与工作压力有很大的关联，通过调节弹簧改变频率的幅度不够大。

六、全射流喷头运转试验研究

（一）耐磨试验研究［37］

由于全射流喷头的工作原理及其结构特点，射流元件的尺寸精确要求高，加工精度要求高。在实际运行时，长期的水流冲刷，特别是含沙介质的磨损，会改变射流元件的结构尺寸。若射流元件的磨损超出允许的运行尺寸范围，会造成喷头不能步进、旋转，影响喷头的正常工作和可靠性。因此，全射流喷头的耐磨试验研究尤为重要。

1．喷头磨损部位的分析

由喷头的工作原理可以看出，元件过流部分的磨损主要包括以下几个方面：①收缩锥管和基圆段；②作用区左右侧壁；③盖板步进侧出口内倒角和直线段；④盖板反向侧出口内倒角和直线段；⑤取信号水的接嘴。射流对收缩锥管、基圆段、水封面和作用区左右侧壁磨损属于作用面的磨损，磨损量较小，两处磨损同时发生，尺寸同时变大，故对左右作用区的密封性没有影响。关键是接嘴的磨损，直接影响接嘴从主射流中的取水量，影响喷头左右腔压差的形成，影响喷头的附壁效应，影响喷头的正常工作。

水流介质特别是含沙介质对接嘴尺寸的磨损，成为影响喷头稳定工作的关键。接嘴的磨损量越小，运行越稳定。接嘴尺寸的磨损需要控制在允许尺寸范围内。

减小接嘴的磨损量，可从以下两个方面着手：

（1）直接措施。寻求用耐磨材料来加工接嘴及其他射流元件，减少磨损量。

（2）间接措施。将接嘴设计成可调节结构，在使用一段时间后，喷头出现工作不正常时，加大接嘴插入射流表面的深度，喷头又能继续正常工作，延长喷头的使用寿命。

2．耐磨试验装置

为了研究全射流喷头运行的磨损量及其磨损后对喷头运转的影响，设计自循环喷头耐磨损装置进行试验研究。试验装置如图2-63所示，由水箱、水泵机组、试验喷头、流量计、压力表、球阀、管路和辅助支撑组成。水箱为圆锥形，顶部有盖，侧壁上部有条形开口，便于试验喷头伸入水箱。

工作过程为：关闭水泵机组进口排水管路上的球阀，打开取水管路上的球阀，启动水泵机组，打开自搅匀管路的球阀，关闭喷头试验管路上的球阀。待水箱内含沙水搅匀后，打开喷头试验管路上的球阀，调节球阀，使喷头进口压力表读数为设定工作压力流量通过流量计时测出，喷头带有反向机构，在规定角度内喷洒。水流自水箱一侧开口中射入水箱，循环运行。持续试验工作到试验规定工作时间，关闭喷头试验管路的球阀、水泵机组、自搅匀管路上的球阀和进口取水管路的球阀。如果需要放空含沙水或清洗装置，可通过打开排水管路球阀，放出含沙水或清洗装置。

3．试验结果与分析

试验用喷头使用由江苏大学设计、上海万得凯节水技术有限公司制造的PXH10型喷头，采用普通的ABS材料制造。试验介质由0.5kg重泥沙和50kg重清水构成，泥沙浓度为1%，泥沙取自长江江滩，颗粒大小级配为自然级配，平均粒径0.085mm。表2-12为喷头磨损试验记录表。

通过回归分析可以得到流量随时间变化的表达式为

末端雨滴直径随时间变化的表达式为

分析以上试验结果，可以得到以下结论：

（1）利用回归分析方法，对流量随时间变化关系进行分析，发现流量随时间的变化成幂指数关系。原因主要是在喷头加工时存在较多的毛刺，这些毛刺受到混水的冲蚀时，极易磨损，造成开始阶段的流量随时间急剧增大。当工作至一定时间后，喷头进入稳定工作阶段，流量基本不变化。

（2）利用回归分析方法，对末端雨滴直径随时间的变化情况进行分析，可以得出末端雨滴直径随时间变化成指数关系。分析原因，主要是随着关键水力尺寸磨损量的增大，信号水量逐渐减少，主射流受到接嘴1的破坏程度逐渐减小，同时喷头的直射时间也逐渐增大，这些因素综合作用下，导致了末端雨滴直径的增加。

（3）接嘴1是一个易磨损的部件，在平均粒径0.085mm时，运行100h，接嘴1取水量明显减小，喷头频率减小，转速减慢，影响喷头的正常运转。此时可以通过插深接嘴1的方法恢复正常工作运转。

（二）耐久试验研究［37］

在喷头试验中，喷头的耐久性能是其水力性能中非常重要的一个方面，特别是在喷头实际应用中，喷头的耐久性能尤为重要。

1．耐久试验装置

为检测全射流喷头的耐久性能，研制了耐久性循环试验台。该试验台由容器、压力表、潜水电泵、管路以及试验用喷头组成，如图2-64所示。

2．试验结果

对上海万得凯节水技术有限公司制造的PXH10型喷头进行了耐久性试验，试验结果表明：喷头可安全运行2000h以上。在耐久性试验进行了2000h以后，发现以下现象：

（1）在耐磨性试验中，信号接嘴是一个易磨损的部件，但在耐久性试验中，虽然水中有许多杂质，但信号接嘴的磨损量非常小。因此只要将进入全射流喷头的灌溉用水的含沙量控制在一个合适的范围内，全射流喷头能够在规定时间内稳定工作。

（2）耐久性试验中，转体部分的四氟圈是最易磨损的部件。水中的微小颗粒较多，因此喷头运转一段时间以后，四氟圈上就吸附了很多杂质，加速了四氟圈的磨损。在耐久性试验进行到1100h时，更换了新的四氟圈。因此对于全射流喷头，需要控制杂质进入四氟圈之间的量，或者在产品销售时多配一组四氟圈。

（3）试验过程中，由于四氟圈的磨损，四氟圈之间的接触面积不断增加，摩擦系数也不断增加，使得喷头工作过程中的转动速度逐渐变小。图2-65为耐久性试验转速随时间的变化情况。每天在固定的三个时间段测量转速，通过对喷头前900h的测试，可以看出总体上转速是随时间的变化而逐渐降低的。图2-66所示为雨量分布随时间的变化情况。