某型直升机农林喷洒系统性能分析

梁伟， 管华盛， 张裕兵， 王晖

（昌河飞机工业（集团）有限责任公司，江西 景德镇333002）

0 引 言

随着现代农林业向高效、环保和节能模式转变，对农林作物的病虫灾害防治、生长态势监控等方面提出了更高要求。利用直升机低空低速性能优越、起降灵活的特点，搭载相关喷洒设备进行植保作业，正好满足这一需求[1-2]。为满足不同作物、药剂的作业需求，直升机农林喷洒系统往往要进行多工况流量调节。因此研究喷洒系统的流量调节范围，分析不同流量工况下关键部件的工作特性，对喷洒系统的设计、使用和维护尤为必要。

随着计算机仿真技术的快速发展，运用流体系统仿真软件对诸如液压、燃油、管网等流体系统进行分析和设计计算，是对传统理论分析和实验研究的重要补充。直观的模拟结果对认识流体系统的工作特性，分析部件对总体性能的影响具有重要作用，有助于缩减产品研制周期和成本。本文根据现有离心泵、节流阀、喷头等部件的性能参数，建立喷洒系统的系统仿真模型，调节节流阀开度和喷头过流面积，仿真计算得到系统流量，以及泵、喷头的压力、流量、效率等工作特性。为泵、阀和喷头等关键部件的选型提供技术支撑，给喷洒系统的调试、维护和性能优化提供重要参考。

1 物理模型

喷洒系统结构原理如图1所示，药箱用于存储喷洒作业所需药液，并接收回流的药液。离心泵给喷洒系统输送一定压力和流量的药液，要求结构简单、质量轻、抗污能力强、可靠性高。三通电磁阀位于泵下游，通过电磁阀的状态转换，实现喷洒和搅拌两种功能切换。过滤器用于过滤掉大直径颗粒杂物，以免堵塞喷管中的喷头。节流阀位于过滤器下游，通过控制阀的开度，改变管路特性，实现喷洒流量的调节，以满足不同喷洒作业的流量需求。为使药液雾化形成雾滴，喷洒系统的末端安装有一定数量的喷头。主喷管连接节流阀和喷头，旁路管和主喷管并联，回流管连接药箱、三通电磁阀和旁路管。小流量喷洒或误关闭喷洒时，药液通过旁路管返回药箱，防止因管路压力过高而破坏离心泵的正常工作。

图1 喷洒系统结构原理

2 仿真模型

2.1 离心泵

离心泵工作转速高、结构简单、抗污能力强、工作可靠，在农业排灌、工业流体传送等领域用途广泛，尤其凭借其大流量、压力平稳和比质量小的优点，广泛用于航空流体传送系统[3]，能够满足直升机农林喷洒系统的使用需求。扬程-流量（H-Q）特性是离心泵的主要性能之一，其中扬程是指单位质量流量的液体经过叶轮所获得的能量，其计算公式为

式中：p1为进口总压；p2为出口总压；γ为液体重度。

扬程和流量关系为

式中：u2为离心泵叶轮出口牵连速度；Ψ2为排挤系数；D2为叶轮直径；b2为叶轮出口宽度；β2为叶片出口角；ηw为叶轮水力效率；Kl为有限叶片修正系数。

根据选定离心泵的性能参数，自定义泵的扬程-流量特性。

2.2 节流阀

节流阀用于流量调节。改变阀的开度，其过流面积、总压损失随之变化，从而改变阀的损失系数。损失系数K和过流面积A的关系为

式中：Δp为总压损失；Q为体积流量；ρ为流体密度。过流面积和节流阀开度间的关系由其物理结构决定。

选用系统库中的节流阀模型，损失系数K和开度Ratio的关系如图2所示。Ratio为1表示阀完全打开，为0表示阀完全关闭。由图2可知：损失系数不随阀的开度线性变化，开度为0.5时，损失系数仅为10，流动损失较小，即药液流经节流阀产生的压降较小；开度为0.2时，损失系数大于100，开度越小，损失系数增大越剧烈，产生的压降越大。

图2 节流阀损失系数与开度的关系

2.3 喷头

喷头由单向阀和喷嘴组成，当喷洒压力达到单向阀开启力时，就能喷洒作业。单向阀压力损失和流量的关系如图3所示，单向阀的开启压力约为0.02 MPa，流量越大，通过阀产生的压降越大。

喷嘴属于压力式雾化喷嘴，通过喷嘴内孔横截面的收缩，高压药液在喷嘴中聚集，然后急速喷出，实现药液压力势能向动能转换，从而达到相对于周围气体较高的流动速度，通过环境中的气体和液体之间的强剪切作用达到液体雾化的效果[4]。喷嘴流量方程为

图3 单向阀压降

喷洒系统仿真模型，选用两支路水箱作为喷洒药箱：一路用于给离心泵供给药液；另一路用于回收回流药液。由于药箱需要连通大气，箱内压力设置为恒定标准大气压。主喷管和回流管选用刚性管，管径为50 mm，两位三通电磁阀用于连接回流和喷洒管路。过滤器不影响整个系统流量调节特性，为简化计算，建模过程中忽略过滤器。按图1所示喷洒系统原理连接各仿真元件，系统仿真模型如图4 所示，整个喷洒系统有57个喷头。

图4 喷洒系统仿真模型

3 仿真结果

喷洒系统实际作业介质为农药溶液，是不可压缩流体。仿真模式设置为不可压稳态模拟。为简化参数设置，仿真介质设置为水、温度为20 ℃，喷头出口压力设置为1个标准大气压。

3.1 节流阀开度调节

为分析节流阀开度对系统流量的影响，根据节流阀损失系数特性曲线，设置不同的节流阀开度参数，其中Ratio为节流阀相对开度，取值范围为0～1，0表示阀完全关闭，1表示完全打开。仿真计算得到喷洒系统流量和泵的性能，如表1所示。

由表1可知，节流阀开度由1调小至0.03，Lp从150.5 L/min减小至61.1 L/min。节流阀开度在0.3～1.0时，喷洒流量调节效果并不明显，开度降至0.1后流量显著降低。由离心泵的工作原理可知，泵的工作状态受管路特性影响，调小节流阀开度，管路负载增加，喷洒流量减小。受节流阀特性影响（如图2），只有调至小开度工况，阀的损失系数才显著增加，促使喷洒流量明显降低。

表1 不同节流阀开度的仿真结果

3.2 喷头调节

根据农林喷洒质量要求，喷洒系统能够进行超低容量、低容量、常量喷洒作业，满足不同植被、药液或灾害的防护需求，这就要求喷洒系统具备大范围流量调节能力。该农林喷洒系统通过节流阀的开度调节，实现了2.5左右的流量调节比，但难以满足多作业模式的流量需求。由图1所示喷洒系统原理可知，喷洒系统的管路负载主要由旁路管路和主喷管路并联而成，主喷管路上负载由节流阀和喷头构成，因此想要获得较大的流量调节范围，可改变喷头负载大小，即更换不同口径的喷头。

为研究喷头过流面积对系统流量的影响，采用某型多口径规格喷头，喷头1过流直径为1.46 mm，喷头2过流直径为1.27 mm，喷头3过流直径为1.03 mm。仿真计算结果如表2 所示。由表2可知：使用喷头2，喷洒系统流量约为50.1～75.4 L/min；使用喷头3，喷洒系统流量约为39.5～48.9 L/min。改变喷头规格，可显著拓宽喷洒系统的流量调节范围，结合节流阀的开度调节，流量调节比可达3.8左右。

3.3 泵特性分析

表2 不同规格喷头的仿真结果

图5 不同出口负载的离心泵特性

由式（1）可知，进口压力恒定工况时，离心泵的扬程主要受出口压力影响，出口压力越大，扬程越大。而离心泵的出口压力由负载决定，调节节流阀开度和喷头过流面积均会引起泵出口负载变化。由图5所示的泵特性曲线可知，不同节流阀开度或使用不同过流面积的喷头，离心泵的扬程基本维持在39 m左右。减小节流阀开度，泵效率随之降低，大过流面积喷头尤为显著。而减小喷头过流面积，离心泵效率大幅降低。

为拓宽喷洒系统的流量调节范围，可通过调节泵出口的节流阀开度、喷头过流面积等参数来实现。对于本直升机用农林喷洒系统，调节节流阀开度和喷头口径均不会对离心泵扬程带来显著影响，但调小节流阀开度或喷头过流面积会引起泵效率降低。

4 结 语

通过仿真分析本农林喷洒系统在不同节流阀开度和喷头流量调节特性，得出以下结论：1）调节喷洒系统中节流阀的相对开度，能够改变管路负载，离心泵工作状态随之变化，实现喷洒系统的流量调节。2）减小喷洒系统喷头的过流面积，喷洒流量随之降低；使用不同过流面积的喷头可显著拓宽喷洒系统的流量调节范围。3）调节节流阀开度，或改变喷头过流面积，离心泵的扬程基本不变；但调小节流阀开度或减小喷头过流面积会使泵效率随之降低。