航空转笼喷头转速及雾化性能试验

曲荣佳，茹 煜，陆 枫，刘洋洋，周宏平

(南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

雾滴粒径是评价喷头喷雾效果的重要因素，喷雾粒径的研究对于提高沉积率、降低飘移率、减少污染具有重要意义.其中喷头类型的选择、喷雾参数的设置决定了雾滴粒径的不同，从而影响防治效果[1-3].由于转笼喷头作用原理与液力式喷头不同，其雾滴粒径不仅与流量等因素相关，还与转笼直径和转笼转速密切相关[4-5].进行雾滴粒径试验是为了探究流量、转笼转速、转笼直径等因素与雾滴粒径之间的关系，从而在作业中根据不同的作业要求指导参数的设置.而风速、桨叶长度、桨叶安装角度、转笼直径会对转速产生影响[6]，所以进行转速试验探究各因素与转速间的关系也很有必要.转速试验可以指导参数的设置来调整转速，以使其雾滴粒径达到生产要求.因此，针对不同防治要求，选择相应的作业参数使其雾滴粒径达到最佳是保证防治效果的重要手段.

航空喷头有液力雾化、离心雾化2种方式，其雾化性能的研究采用田间、风洞、模拟等方式，C.B.DE ALVARENGA等[7]研究了航空喷雾过程中空心圆锥喷头的雾滴尺寸和雾滴飘失，并用一架AT-402B飞机和3块试验田研究了增加雾滴沉积的航空喷雾方法.ZHANG B.等[8]利用CFD软件对510G型飞机的尾涡以及翼尖附近的上升气流进行了模拟，以探究飞机进行航空喷药过程中流场对雾滴扩散、沉积的影响规律.茹煜等[9]利用北京农林科学院农业智能装备技术研究中心IEA-I型高速风洞和徐州福利达民用航空地面设备制造有限公司的Y5B固定翼飞机，研究了GP-81A系列航空喷头在风洞和飞行条件下的雾滴粒径分布.唐青等[10]利用高速风洞模拟航空施药的工作环境对常用的空心圆锥雾化喷头进行了雾滴体积中径和雾滴相对分布跨度的测量，分析其雾化特性和沉积特性.

转笼喷头是用于航空喷雾比较典型的离心雾化喷头，是一种超低量喷雾方式.国内宋伟等[11]从理论上阐述转笼式离心雾化原理，通过喷施常温清水和生物农药白僵菌探究了多参数对转笼式离心雾化喷头雾化效果的影响，并研究了喷施生物农药的专用转笼式离心喷头，测试了其雾化性能和生物活性保持率，但是这种转笼喷头主要用于地面喷雾机械.在国外，F.K.CARVALHO 等[12]研究了转笼喷头桨叶角度对转笼喷头雾滴粒径的影响规律，在风洞中利用激光衍射粒度仪测量了转笼喷头的雾滴粒径分布.这些研究时间较早，也表明了风洞可作为转笼喷头研究的主要方法，但转笼喷头结构参数不同，研究结果并不能作为国内开展航空转笼雾化研究的依据.

文中设计了适合农用直升飞机所用的不同直径的叶片式转笼喷头以及可直接用于实验室研究的电驱动转笼雾化喷头.考虑国内利用高速风洞长期试验的可行性，一方面借鉴风洞的优势建立了风洞转笼喷头转速测试系统，研究高速气流和桨叶变化条件下喷头转速参数；另一方面为了试验方便，脱离风洞，建立了电动转笼喷头雾滴粒径测试系统，研究多种参数条件下的雾滴粒径分布规律，以期为后续飞行喷洒试验提供一定的数据参考.

1 测试系统及方法

1.1 试验方法

转笼雾化性能试验目的是测试多参数影响下的雾滴粒径，针对飞行条件下喷雾性能参数难以测量以及风洞条件的限制，文中设计了转笼喷头转速测量试验和转笼喷头雾滴粒径测试试验.转笼喷头转速测量试验主要是测量不同风速条件下的转笼喷头转速，并为转笼喷头雾滴粒径测试试验转速的选取提供数据，进而在雾滴粒径测试试验中研究转笼转速、喷雾流量和转笼直径参数影响下的雾滴粒径.

1.1.1转笼喷头转速测量系统

建立转笼喷头转速测量系统，借助高速风洞，模拟飞机飞行产生的气流，测试不同风速和桨叶角度条件下的转笼转速.所建系统如图1所示，包括风洞系统、喷头固定装置、叶片式转笼喷头和转速计.

图1 高速风洞转速测量系统

采用的高速风洞为北京市农林科学院农业智能装备技术研究中心的IEA-1型高速风洞，该风洞出口直径300 mm，最大风速可达98 m·s-1.该风洞为直流开口下吹式设计，其收缩段的出口设计保证了其湍流的稳定性，主要用于模拟农用飞行器作业时的来流条件.采用风洞试验的优点主要为风洞试验测试条件稳定、可控制、可重复，能够模拟真实的飞行环境.

采用的叶片式转笼喷头见图2a，包括CYD-1型和CYD-2型，转笼直径分别为105，85 mm.如图2b所示，喷头外部装有上下轮毂用以安装桨叶，桨叶有68，94 mm这2种长度，桨叶可根据作业要求调整迎风角度.

图2 叶片式转笼喷头

叶片式转笼喷头通过固定装置固定在距风洞口约20 cm处，且位于风洞出口处中心点位置，喷头网笼上贴有转速计专用的反光纸，每次试验只需调节桨叶安装角度和风机频率即可，通过转速计测量对应风速下的转笼转速.

1.1.2雾滴粒径测试系统

雾滴粒径测试系统如图3所示，主要由雾化系统、供液系统和激光粒度仪3大部分组成.

图3 转笼喷头雾滴粒径测试系统

雾化系统由电动式转笼喷头、交流电动机和交流变频器组成，供液系统包括水箱、柱塞泵、调量阀、压力表、流量计以及药液软管等.其中交流电动机工作电压为220 V，工作转速为1 000～11 000 r·min-1，电动机在测试时间1 min内可自然降温，电动式转笼喷头转速通过交流变频器调节交流电动机转速获得.采用德国新帕泰克有限公司的HELOS/VARIO-KR型号激光粒度仪测量雾滴粒径.

雾化系统中的电动式转笼喷头是为雾滴粒径测试试验专门设计：与叶片式转笼喷头一样设计有2种直径的喷头(105，85 mm)；在内部结构上与叶片式转笼喷头相同，包括传动机构、离心机构和喷药机构；在整体设计上，去掉了空心轴外部的上下轮毂，注油嘴设计在扩散管外部伸出端一侧，以润滑内部轴承；网笼底部设计有法兰结构(凸缘)，将电动式转笼喷头与交流电动机相连，如图4所示；法兰通过内部的2个平键与交流电动机轴连接固定，再通过螺栓将法兰与网笼底部相连，实现了交流电动机与电动式转笼喷头的同轴转动，从而实现电动机驱动下的多参数条件下的雾滴粒径测试.

图4 电动式转笼喷头整体连接图

1.2 试验设计

为了探究转笼喷头的雾化性能，研究风速、桨叶角度对转笼转速的影响和多参数对转笼喷头雾滴粒径的影响，设计了转笼喷头转速测量试验和实验室转笼喷头雾滴粒径测试试验.试验介质均为清水，每组试验重复3次，取其平均值作为最终数据.

1.2.1转笼喷头转速测量试验

试验为室内风洞试验，调节风洞电动机频率即能够获得相对应的风速大小值，如表1所示，风机频率0～35 Hz，获得0 ～60.7 m·s-1范围的风速条件.

表1 风洞电动机频率与出口风速的对照值

利用转笼喷头转速测量系统测试分析风速、桨叶安装角度和桨叶长度对于叶片式转笼喷头转速的影响，共测量7个风速点、2个桨叶长度和6个桨叶角度下的叶片式转笼喷头转速值，试验因素水平见表2.

表2 转笼喷头转速测量试验因素水平表

1.2.2雾滴粒径测试试验

利用实验室转笼喷头雾滴粒径测试系统分析转笼转速S、喷雾流量FL和转笼直径D对雾滴粒径的影响，采用社会科学统计软件SPSS 18.0对试验数据进行多因素方差分析和线性回归分析.试验共测量4个转速值和5个流量值下的雾滴粒径大小，试验因素水平见表3.

表3 雾滴粒径测试试验因素水平表

2 结果与分析

2.1 叶片式转笼喷头转速影响因素分析

2.1.1转笼直径对转笼喷头转速的影响

考虑到转笼喷头的性能以及试验的安全性，根据转速实时测量值以及一定的规律性，超过11 000 r·min-1的转笼转速将不予测试记录.选取94 mm长的桨叶，分别安装于2种喷头进行试验，根据7种风速和6种桨叶角度下2种喷头的转速测试试验数据绘制柱状图，如图5所示.

由图5可见，在桨叶安装角度为30°，40°，50°，60°，70°，80°时，通过对比2种喷头转速数据，如在风速为16.8 m·s-1时，在6种角度下大直径(105 mm)转笼的转速值大于小直径(85 mm)转笼转速值.而在25.5 m·s-1，70°时，大直径转笼的转速值为1 482 r·min-1，小于小直径转笼转速值1 590 r·min-1；在42.6 m·s-1，80°时，大直径转笼的转速值为1 782 r·min-1，小于小直径转笼转速值1 987 r·min-1，这说明转笼直径对转笼转速没有直接的线性关系.

图5 不同桨叶安装角度下转笼喷头转速随风速变化

2.1.2风速对叶片式转笼喷头转速的影响

由图5可见，在桨叶安装角度相同的条件下，2种喷头的转笼转速都随着风速的增大而增大.其中，在桨叶安装角度为30°时，2种喷头的转速随着风速的变化趋势显著：在7.6，33.8 m·s-1时，大直径转笼喷头转速为1 068，10 638 r·min-1，而小直径转笼喷头转速为1 332，8 562 r·min-1.在桨叶安装角度为80°时，2种喷头的转速随着风速的变化趋势平缓：在7.6，61.7 m·s-1时，大直径转笼喷头转速为96，2 808 r·min-1，而小直径转笼喷头转速为181，2 869 r·min-1.

2.1.3桨叶角度对转笼喷头转速的影响

由图5可见：在风速大小相同的条件下，2种喷头的转笼转速随着桨叶角度的增大而减小.这是因为，桨叶角度越大，叶片迎风面即叶片与气流的接触面积越小，使得空气动力减小，从而使得桨叶带动转笼的转速变小，测得桨叶角度最小为30°，转笼转速最大.在风速为33.8 m·s-1、桨叶角度为30°时大直径转笼喷头转速最大为10 638 r·min-1；在7.6 m·s-1，80°时，大直径转笼喷头转速最小为96 r·min-1.试验测得的大、小直径转笼喷头转速范围分别为96～10 638，181～10 092 r·min-1.

2.1.4桨叶长度对转笼喷头转速的影响

选取2种桨叶安装角度(40°，50°)、3种风速(25.5，33.8，42.6 m·s-1)、2种桨叶长度(68，94 mm)，分析桨叶长度对转笼转速的影响.桨叶长度对转笼转速影响关系柱状图如图6所示.由图6可见，在同一桨叶角度、同一风速条件下，2种喷头的转笼转速都随着桨叶长度的增加而增大.这是因为，尽管桨叶长度增加，增大了迎风的阻力，但是随着桨叶长度的增加，叶片的迎风面积变大，使得气流带动叶片的动力变大，产生的动力远大于阻力，从而使得桨叶带动转笼的转速变大.在桨叶角度为40°、风速为42.6 m·s-1、桨叶长度为94 mm时，大直径转笼喷头转速最大，为9 643 r·min-1；在桨叶角度为50°、风速为25.5 m·s-1、桨叶长度为68 mm时，小直径转笼喷头转速最小，为2 852 r·min-1.在实际户外飞行作业中，除可以调整飞行作业速度和桨叶安装角度以外，桨叶长度的变化也能影响转速的变化，也可以看出转笼喷头能够根据不同任务需要灵活调节喷洒性能，具有很强的适用性.

图6 不同桨叶角度下转笼喷头转速随风速变化

2.2 转笼喷头雾滴粒径影响因素分析

根据转速测量试验获得的转笼转速100～11 000 r·min-1的范围值，选取4种转笼转速、5种喷雾流量和2种转笼直径，测得3种参数条件下的2种电动式转笼喷头雾滴粒径如表4所示.

表4 2种电动式转笼喷头雾滴粒径测试试验数据

由表4分析可知如下结论：

1)当喷雾流量一定时，2种电动转笼喷头的雾滴粒径随着转笼转速的增大而减小，这是因为单位时间内进入转笼内的流量相同时，转笼转速的提高使得经过网笼精细化雾滴离心力变大，经网笼甩出去的雾滴被破碎的更细，雾滴直径变小.在2.3～14.9 L·min-1的流量变化范围内，低转速3 000 r·min-1的2种电动转笼喷头的雾滴粒径均大于200 μm，雾滴破碎不均匀，喷雾面没有产生明显的雾化状态，喷雾效果不佳；在高转速的条件下，2种电动式转笼喷头的雾滴粒径在100～300 μm分布，喷雾效果较好.

2)当转笼转速一定时，2种电动转笼喷头的雾滴粒径随着喷雾流量的增大而增大，这是因为，相同的转笼转速下，当单位时间内进入转笼内的流量变大时，更多的雾滴还未经扩散管和网笼完全细化就被破碎甩出，导致雾滴粒径变大.这表明转笼转速的选取应配合流量的控制才能达到较好的雾化效果状态，如在低转速3 000 r·min-1时，随着喷雾流量的增大，2种电动转笼喷头的雾滴粒径较大，试验时的喷雾效果不佳；在高转速7 000～9 000 r·min-1时，2种电动转笼喷头的雾滴粒径在100～200 μm分布，喷雾效果较好.

3)在4种转笼转速和5种喷雾参数条件下，大直径转笼喷头的雾滴粒径总是大于小直径转笼喷头，这表明雾滴粒径受转笼直径影响，随着转笼直径的增大，雾滴粒径变大.因此，在研究飞行条件下转笼喷头雾滴粒径规律时，应综合考虑转笼转速、喷雾流量和转笼直径多参数对雾滴粒径的影响，选出最优喷雾参数以达到最佳的喷雾效果.

利用SPSS软件对雾滴粒径数据进行多因素方差分析和相关性分析，如表5所示.

表5 不同因素对雾滴粒径影响分析表

由表5可见，雾滴体积粒径与转笼转速的相关系数为-0.795，其显著性小于0.001，远远小于α(0.05)，说明二者显性相关，且二者的变动方向相反；雾滴粒径与喷雾流量的相关系数为0.399，其显著性小于0.001，远远小于α(0.05)，说明二者显性相关，且二者的变动方向相同；雾滴粒径与转笼直径的相关系数为0.314，其显著性小于0.001，远远小于α(0.05)，说明二者显性相关，且二者的变动方向相同.由显著性水平α=0.05和偏相关系数r=1的条件下综合分析可知，3种参数对雾滴粒径影响程度由大到小为转笼转速、喷雾流量、转笼直径.

利用SPSS多元回归法进行分析，根据各个自变量对于因变量雾滴粒径(以Vmd表示)的影响程度，按照由大到小的次序逐步引入模型，建立多元线性回归拟合的方程为

Vmd=-0.022S+1.946D+5.35FL+472.83.

对此多变量线性回归模型拟合度进行检验，D-W统计量用来判断数据序列相关或自相关，该模型D-W统计量为0.931，小于2，表明该模型存在自相关；判断模型拟合度的标准采用R2，R2越接近1，表明模型拟合度越好.该模型的调整R2的值为0.880，即通过模型解释雾滴粒径的变化占总变化的比例为88.0%，这表明该模型拟合度较好.经方差分析，该回归模型的显著性小于0.001；经过T检验，各因素的显著性值小于0.001，说明该模型有显著的统计意义.经过共线性诊断统计，转笼转速、喷雾流量、转笼直径各个自变量的方差扩大因子都为1.06(小于5)，说明该模型中的各个自变量之间没有出现共线性.

对多参数下的雾滴粒径线性回归进行残差分析验证，以判断数据的异常和拟合程度.如图7所示，残差图中的各个数据点形成一条斜率近似为1的直线，表明该模型不存在数据异常点，各点差值较小，回归曲线方程与实际值之间的差别较小，表明转笼喷头雾滴粒径多元线性回归的模型是可行的.

图7 线性回归残差分析图

3 结 论

1)转笼直径的变化对转笼转速的大小没有直接的线性影响；在桨叶安装角度相同的条件下，2种叶片式转笼喷头的转笼转速都随着风速的增大而增大；在风速大小相同的条件下，2种叶片式转笼喷头的转笼转速随着桨叶角度的增大而减小；在同一风速和同一桨叶角度条件下，2种喷头的转速随着桨叶长度的增大而增大.

2)试验测得的转笼转速在100～11 000 r·min-1分布.在实际户外飞行作业中，除可以调整飞行作业速度和桨叶安装角度以外，桨叶长度的变化也能影响转速的变化，可见转笼喷头能够根据不同任务需要灵活调节喷洒性能，具有很强的适用性.

3)3种参数对雾滴粒径影响程度由大到小为转笼转速、喷雾流量、转笼直径，且相关性显著，其中喷雾流量和转笼直径为正相关，与转笼转速负相关.

4)通过逐步回归分析建立包含转笼转速、喷雾流量和转笼直径在内的转笼雾化后雾滴粒径的多元线性回归模型.通过统计分析检验，模型的拟合程度较好，其标准残差比较理想，表明该转笼雾化性能模型是适合与可行的，且计算方便简单.

5)文中的试验介质为清水，在以生物农药为试验介质时，转笼喷头的最佳实际应用还与风速、温度、湿度等环境因素及药液物理特性的影响有关，后期有待于借助风洞和飞行方法对雾滴粒径分布及飘移影响做更深入的研究.