第一節　噴頭

一、常用噴頭主要類型與結構原理

（一）搖臂式噴頭

1.結構與工作原理

目前我國制造的搖臂式噴頭主要結構形式如圖7-1和圖7-2所示。由旋轉密封機構、過水流道、驅動機構、換向機構等四部分組成。

圖7-1是單噴管（單噴嘴）搖臂式噴頭的基本結構，旋轉密封機構包括空心軸套1、減磨密封圈2和空心軸3和防砂彈簧4，減磨密封圈阻止來自噴灌支管和豎管壓力水外漏，并保持噴管靈活轉動；空心軸3和噴體6、噴管17和噴嘴15組成過水流道，壓力水流進入噴管，通過噴嘴，以水柱狀噴射到空中，在空氣的作用下，被粉碎成雨滴降落到植物冠層和地面，除低壓噴頭外，在噴管內還安裝有穩流器，以降低水流的紊流程度，提高噴頭射程、改善噴灑水量分布；由搖臂調位螺釘9、彈簧座10、腰臂軸11、搖臂彈簧12、搖臂13和打擊塊14組成驅動機構，從噴嘴射出的水流推動搖臂離開噴管至一定距離，在搖臂彈簧力的作用下，回轉敲擊打擊塊，推動噴管轉動，此時搖臂又進入水流的作用范圍，再次推動噴管，這樣對打擊塊的反復敲擊推動噴管，使噴管繞豎軸轉動，形成全圓或扇形的噴灑濕潤面積；換向機構包括換向器7、反轉鉤8和限位環18，當噴管轉到某一角度時，反轉鉤末端觸到換向器的一側，逼使噴管快速回轉，重復下一周期的噴灑，從而形成扇形噴灑，因為限位環的角度可調，換向器設計成可調角度，使噴灑扇形的開度可以根據需要設定。

雙噴管（雙噴嘴）搖臂式噴頭見圖7-2。其主要結構和作用原理與圖7-1基本相同，不同之處是，采用大小兩個噴管和噴嘴，增加近處噴水量，提高了噴灑均勻度。

圖7-1的搖臂為懸臂梁式，而圖7-2的搖臂為框架式，結構簡單些。圖7-2沒有換向機構，只能進行全圓噴灑。

2.工作特點

搖臂式噴頭是目前國內使用最為廣泛的一種噴頭，是管道式噴灌系統使用最為主要的灌水器。這類噴頭的材料主要有鋁合金、塑料和銅三種，具有下列技術特點。

（1）工作壓力較低，相對射程較大，能耗較小。搖臂式噴頭的使用工作壓力一般為150～350kPa，工作時，水流由噴嘴成股射出，在空氣的作用下碎裂成雨滴狀，降落到植物冠層和地面，因而比固定漫射（散射）式噴頭在相同工作壓力下的射程遠，單位面積相同灌水量的能耗頭低。

（2）噴灌強度低。由于搖臂式噴頭是轉動工作，單噴頭控制的噴灑面積大，與固定式噴頭比較，相同流量下的噴灑強度小得多，這有助于防止坡地水土流失，減小對幼苗、花卉等織物的打擊損害。

（3）適用性強。搖臂式噴頭根據實際需要，制造成不同檔次工作壓力、流量、射程、噴灌強度的系列產品，可適應不同地形、土壤、植物噴灌的要求。此外，還可采用不同仰角，以適應不同高度噴灑的要求。

（4）噴灌質量較高。搖臂式噴頭轉速穩定且易于調節，噴灑水量的分布可通過調整搖臂撞擊頻率保持較高的噴灌質量，一般采用多噴頭組合噴灑，可以達到較高的噴灌均勻度，不僅保證灌區內不同位置植物正常生長，而且提高水的利用效率。

（5）受風沖擊或振動時可能明顯降低噴灌質量。搖臂式噴頭在有風時，或回轉面不水平（豎管傾斜安裝）時，或受大的振動時，旋轉速度不均勻，會降低噴灑均勻性。因此，在風速達到3級以上時應停止噴灌作業；應避免搖臂式噴頭與手扶拖拉機、柴油機、水泵直聯使用。為改善搖臂撞擊噴管后的受力狀況，經常在較大噴頭的沖擊部位設置橡膠墊。

幾種常用搖臂式噴頭外形和田間工作狀況見圖7-3。

（二）垂直搖臂式噴頭

1.結構與工作原理

垂直搖臂式噴頭是一種中、遠射程噴頭，其主要結構與搖臂式噴頭相近，垂直搖臂式噴頭的基本結構形式見圖7-4。這類噴頭是利用水流通過垂直搖臂的導流器產生反作用力，獲得驅動力矩的旋轉式噴頭。需要說明的是，垂直搖臂式噴頭和搖臂式噴頭雖然都是靠搖臂來驅動旋轉，但其工作原理和接受能量方式是完全不同的。前者靠水流沖擊和重力回位，后者靠搖臂撞擊和搖臂彈簧回位。此類噴頭流量大，射程遠，常稱之為噴槍。

2.工作特點

與搖臂式噴頭比較，垂直搖臂式噴頭具有下列特點。

（1）工作穩定。由于垂直搖臂不直接撞擊噴管，因而受力情況比搖臂式噴頭好，工作更為可靠穩定。

（2）工作效率高。垂直搖臂式噴頭是一種中高壓噴頭，噴水量大，射程遠。垂直搖臂式噴頭的射程可達到50～100m，甚至更遠，如單噴頭作180°擺動扇形噴灑時，可控制的噴灑面積達6～24畝以上。

（3）適用范圍較寬。垂直搖臂式噴頭可與移動機械，如與絞盤機結合組成絞盤式噴灌機組，也可安裝在固定的立管上，用于農業、綠地、林木灌溉，還可用于礦山工地除塵。

（4）水滴打擊強度較大。垂直搖臂式噴頭雨滴較大，降速較大，打擊力大，如使用不當，可能損害幼苗、花卉，造成水土流失，損壞表層土壤。

兩種垂直搖臂式噴頭（噴槍）的結構外形和工作狀況見圖7-5。

（三）葉輪式噴頭

1.結構與作用原理

葉輪式噴頭的結構類型較多，有單噴嘴、雙噴嘴的；葉輪軸有與噴管軸平行的，也有垂直布置的。一種葉輪式噴頭結構見圖7-6。

葉輪式噴頭實現正反轉有下列三種方式：

（1）葉輪方向不變，通過一組較復雜的換向機構改變大蝸桿的旋轉方向。

（2）通過改變副噴嘴水流沖擊葉片的內緣和外緣（葉輪葉片的內外緣方向相反），直接改變葉輪的旋轉方向。

（3）通過轉動副噴嘴的噴管，使副噴嘴水流沖擊葉輪的左側或右側，從而改變葉輪的旋轉方向。

2.工作特點

葉輪式噴頭有下列主要工作特點。

（1）噴頭轉速均勻、驅動平穩，而且具有自鎖性能，對安裝要求低，適用于絞盤式噴灌機、固定遠射程噴灌等場合。

（2）葉輪轉速大，需通過適當機構調整傳遞，使噴頭達到適宜轉速。葉輪式噴頭是利用水流沖擊葉輪獲得驅動力矩的旋轉式噴頭，由于水的射流速度較大，葉輪轉速很高，可達1000r/min以上，而噴頭工作轉速僅0.2～0.35r/min，必須要求大幅度降速。一般降速是通過兩級蝸輪蝸桿（或一級蝸輪蝸桿一級棘輪變速）實現的，所以這種噴頭也稱為蝸輪蝸桿式噴頭。

（3）工作效率高，應用范圍較寬。葉輪式噴頭也是一種中遠射程噴頭，單噴頭噴灑控制面積較大，噴灌成本較低，對于大面積農田、林木等有較大的使用優勢。

二、噴頭技術參數

（一）結構參數

噴頭結構參數是決定噴頭水力性能的主要因素，包括進水口直徑、噴嘴直徑、噴射仰角等。

1.進水口直徑

進水口直徑是指噴頭空心軸或進水口管道的內徑，單位為mm。為減小水頭損失，通過進水口直徑的流速控制在3～4m/s范圍內。一個噴頭的進水口直徑確定后，其過水能力和結構尺寸也大致確定了。我國目前PY系列噴頭就以進水口公稱直徑來命名噴頭型號，規定了10mm、15mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、80mm等8種規格。

2.噴嘴直徑

噴嘴直徑是指噴嘴出水口最小的截面內徑，單位為mm。噴嘴直徑反映噴頭在一定工作壓力下通過水流的能力。在工作壓力相同的情況下，一定范圍內，噴嘴直徑愈大，噴頭噴水量也愈大，射程也愈遠，但其霧化程度相對下降；反之亦然。對于非圓形噴嘴，可用當量直徑表示。

噴嘴當量直徑可定義為該噴嘴通過的流量等于圓形噴嘴通過相同流量的圓形直徑，可用式（7-1）計算確定。

3.噴射仰角

噴射仰角是指噴頭射流剛離開噴嘴時水流軸線與水平面的夾角。在一定工作壓力條件下，噴頭仰角對噴頭射程和噴灑水量分布起決定性作用。因此，選擇適宜的噴頭仰角可以獲得最大的射程，從而可以獲得小的噴灌強度、增大噴頭組合間距、有利于降低管道式噴灌系統管網投資。

目前我國常用噴頭的噴射仰角多為27°～30°。為了提高抗風能力，有些噴頭已采用21°～25°之間的噴射仰角。對于用于樹下噴灌、大型噴灌機等場合，噴頭可選用小于20°的噴射仰角。對某些特殊用途的噴灌，還可以將噴射仰角選得更小。

（二）噴頭水力性能參數

噴頭水力性能參數決定噴頭的適用性，影響噴灌成本，是選擇噴頭的主要依據。

1.壓力

噴頭壓力有工作壓力和噴嘴壓力兩種。工作壓力是指噴頭工作時，距噴頭進水口20cm處測取的靜水壓力，單位為kPa。噴嘴壓力是指噴頭出口處的水流總壓力（即流速水頭）。噴頭工作壓力與噴嘴壓力之差等于噴頭流道的壓力損失，噴頭工作壓力和噴嘴壓力越接近，表明噴頭結構設計和制造工藝越好，產品質量越高。

2.流量

噴頭流量是指單位時間內噴頭噴出水的體積，單位為m3/h或L/min。影響噴頭流量的主要因素是工作壓力和噴嘴直徑。當噴嘴直徑一定時，工作壓力愈大，噴頭流量愈大，反之亦然。噴頭流量可用式（7-2）計算。

3.射程

射程是指在無風條件下，噴頭有效噴灑所能達的最大距離，又稱噴灑半徑，單位為m，可由實測得出。旋轉式噴頭射程是指在無風條件下正常工作時，對于流量大于0.075m3/h旋轉式噴頭，量水筒中每小時收集的水深為0.25mm（對于流量不大于0.075m3/h的噴頭取0.13mm/h）那一點到噴頭旋轉中心的水平距離。旋轉式噴頭射程受噴頭工作壓力和轉速影響較大，在一定工作壓力范圍，射程隨著工作壓力增加而增大，但超出某一值，壓力增加只會提高霧化程度，而射程不會再增加；射程隨轉速的增大而減小。在實際使用時，射程受風速和風向的影響很大，風速越大，順風向射程越大，逆風向射程越大，反之亦然。

4.噴灌強度

噴灌強度是指單位時間內噴灑到單位面積上水的體積，或單位時間內的噴灑水深，單位為mm/h。噴頭的計算噴灌強度可用式（7-3）計算。

由式（7-3）可知，噴頭的計算噴灌強度與流量成正比，與控制面積（或射程）成反比。

5.水滴打擊強度

噴灑水滴打擊強度是指噴灑作物受水面積范圍內，水滴對作物或土壤的打擊動能。它與噴灑水滴直徑、水滴降落速度和水滴密度有關。一般用霧化指標或水滴直徑大小來表征水滴打擊強度。霧化指標用式（7-4）計算。

對于相同噴嘴來說，pd值越大，說明其霧化程度越高，水滴直徑越小，打擊強度也越小。

6.噴灑水量分布特性

表征噴灑水量分布特性的方法有徑向水量分布曲線和水量分布圖。徑向水量分布曲線是指沿噴灑半徑上單位時間內收集到的水深，也可以用多排徑向水深的平均值，見圖7-7右方和下方所示。水量分布圖是指在噴灌范圍內的等水深（量）線圖，能準確、直觀地表示噴頭的特性。

影響噴頭水量分布的因素較多，例如工作壓力、風、噴頭類型和結構等。

（三）噴頭名稱型號表示方法

根據《旋轉式噴頭》（JB/T　7867—1997）的規定搖臂式噴頭型號表示方法：

例如：進口公稱直徑15mm雙噴嘴搖臂式噴頭標記為15PY2；進口公稱直徑50mm裝有換向機構雙噴嘴葉輪式噴頭標記為50PL2H；進口公稱直徑40mm單噴嘴垂直搖臂式噴頭標記為40PYC。但目前大多數制造商噴頭型號的表示形式并不完全按照上面規定，用戶需針對使用的技術要求向供應商了解清楚。

（四）噴頭技術性能指標與參數

根據《旋轉式噴頭》（GB/T　19795—2005）的規定，旋轉式噴頭技術性能指標包括：額定流量；工作壓力；耐壓性；密封性；旋轉速度均勻性；流量一致性；水量分布特性；有效噴灑直徑；耐久性。

每項技術指標按《旋轉式噴頭》（GB/T　19795—2005）的具體要求。其測定和評價方法見本章第五節“一、噴頭技術性能測試”。

在使用上，噴頭技術性能參數一般包括噴嘴直徑（mm）、工作壓力（kP或MPa）、噴頭流量（m3/h）、噴頭射程（m），有的還包括單噴頭全圓噴灑噴灌強度（mm/h）、矩形和正三角形組合噴灌強度（mm/h）等。我國噴頭技術參數，見表7-2～表7-5。