某型直升機農林噴灑系統性能分析

梁偉， 管華盛， 張裕兵， 王暉

（昌河飛機工業（集團）有限責任公司，江西 景德鎮333002）

0 引 言

隨著現代農林業向高效、環保和節能模式轉變，對農林作物的病蟲災害防治、生長態勢監控等方面提出了更高要求。利用直升機低空低速性能優越、起降靈活的特點，搭載相關噴灑設備進行植保作業，正好滿足這一需求[1-2]。為滿足不同作物、藥劑的作業需求，直升機農林噴灑系統往往要進行多工況流量調節。因此研究噴灑系統的流量調節范圍，分析不同流量工況下關鍵部件的工作特性，對噴灑系統的設計、使用和維護尤為必要。

隨著計算機仿真技術的快速發展，運用流體系統仿真軟件對諸如液壓、燃油、管網等流體系統進行分析和設計計算，是對傳統理論分析和實驗研究的重要補充。直觀的模擬結果對認識流體系統的工作特性，分析部件對總體性能的影響具有重要作用，有助于縮減產品研制周期和成本。本文根據現有離心泵、節流閥、噴頭等部件的性能參數，建立噴灑系統的系統仿真模型，調節節流閥開度和噴頭過流面積，仿真計算得到系統流量，以及泵、噴頭的壓力、流量、效率等工作特性。為泵、閥和噴頭等關鍵部件的選型提供技術支撐，給噴灑系統的調試、維護和性能優化提供重要參考。

1 物理模型

噴灑系統結構原理如圖1所示，藥箱用于存儲噴灑作業所需藥液，并接收回流的藥液。離心泵給噴灑系統輸送一定壓力和流量的藥液，要求結構簡單、質量輕、抗污能力強、可靠性高。三通電磁閥位于泵下游，通過電磁閥的狀態轉換，實現噴灑和攪拌兩種功能切換。過濾器用于過濾掉大直徑顆粒雜物，以免堵塞噴管中的噴頭。節流閥位于過濾器下游，通過控制閥的開度，改變管路特性，實現噴灑流量的調節，以滿足不同噴灑作業的流量需求。為使藥液霧化形成霧滴，噴灑系統的末端安裝有一定數量的噴頭。主噴管連接節流閥和噴頭，旁路管和主噴管并聯，回流管連接藥箱、三通電磁閥和旁路管。小流量噴灑或誤關閉噴灑時，藥液通過旁路管返回藥箱，防止因管路壓力過高而破壞離心泵的正常工作。

圖1 噴灑系統結構原理

2 仿真模型

2.1 離心泵

離心泵工作轉速高、結構簡單、抗污能力強、工作可靠，在農業排灌、工業流體傳送等領域用途廣泛，尤其憑借其大流量、壓力平穩和比質量小的優點，廣泛用于航空流體傳送系統[3]，能夠滿足直升機農林噴灑系統的使用需求。揚程-流量（H-Q）特性是離心泵的主要性能之一，其中揚程是指單位質量流量的液體經過葉輪所獲得的能量，其計算公式為

式中：p1為進口總壓；p2為出口總壓；γ為液體重度。

揚程和流量關系為

式中：u2為離心泵葉輪出口牽連速度；Ψ2為排擠系數；D2為葉輪直徑；b2為葉輪出口寬度；β2為葉片出口角；ηw為葉輪水力效率；Kl為有限葉片修正系數。

根據選定離心泵的性能參數，自定義泵的揚程-流量特性。

2.2 節流閥

節流閥用于流量調節。改變閥的開度，其過流面積、總壓損失隨之變化，從而改變閥的損失系數。損失系數K和過流面積A的關系為

式中：Δp為總壓損失；Q為體積流量；ρ為流體密度。過流面積和節流閥開度間的關系由其物理結構決定。

選用系統庫中的節流閥模型，損失系數K和開度Ratio的關系如圖2所示。Ratio為1表示閥完全打開，為0表示閥完全關閉。由圖2可知：損失系數不隨閥的開度線性變化，開度為0.5時，損失系數僅為10，流動損失較小，即藥液流經節流閥產生的壓降較小；開度為0.2時，損失系數大于100，開度越小，損失系數增大越劇烈，產生的壓降越大。

圖2 節流閥損失系數與開度的關系

2.3 噴頭

噴頭由單向閥和噴嘴組成，當噴灑壓力達到單向閥開啟力時，就能噴灑作業。單向閥壓力損失和流量的關系如圖3所示，單向閥的開啟壓力約為0.02 MPa，流量越大，通過閥產生的壓降越大。

噴嘴屬于壓力式霧化噴嘴，通過噴嘴內孔橫截面的收縮，高壓藥液在噴嘴中聚集，然后急速噴出，實現藥液壓力勢能向動能轉換，從而達到相對于周圍氣體較高的流動速度，通過環境中的氣體和液體之間的強剪切作用達到液體霧化的效果[4]。噴嘴流量方程為

圖3 單向閥壓降

噴灑系統仿真模型，選用兩支路水箱作為噴灑藥箱：一路用于給離心泵供給藥液；另一路用于回收回流藥液。由于藥箱需要連通大氣，箱內壓力設置為恒定標準大氣壓。主噴管和回流管選用剛性管，管徑為50 mm，兩位三通電磁閥用于連接回流和噴灑管路。過濾器不影響整個系統流量調節特性，為簡化計算，建模過程中忽略過濾器。按圖1所示噴灑系統原理連接各仿真元件，系統仿真模型如圖4 所示，整個噴灑系統有57個噴頭。

圖4 噴灑系統仿真模型

3 仿真結果

噴灑系統實際作業介質為農藥溶液，是不可壓縮流體。仿真模式設置為不可壓穩態模擬。為簡化參數設置，仿真介質設置為水、溫度為20 ℃，噴頭出口壓力設置為1個標準大氣壓。

3.1 節流閥開度調節

為分析節流閥開度對系統流量的影響，根據節流閥損失系數特性曲線，設置不同的節流閥開度參數，其中Ratio為節流閥相對開度，取值范圍為0～1，0表示閥完全關閉，1表示完全打開。仿真計算得到噴灑系統流量和泵的性能，如表1所示。

由表1可知，節流閥開度由1調小至0.03，Lp從150.5 L/min減小至61.1 L/min。節流閥開度在0.3～1.0時，噴灑流量調節效果并不明顯，開度降至0.1后流量顯著降低。由離心泵的工作原理可知，泵的工作狀態受管路特性影響，調小節流閥開度，管路負載增加，噴灑流量減小。受節流閥特性影響（如圖2），只有調至小開度工況，閥的損失系數才顯著增加，促使噴灑流量明顯降低。

表1 不同節流閥開度的仿真結果

3.2 噴頭調節

根據農林噴灑質量要求，噴灑系統能夠進行超低容量、低容量、常量噴灑作業，滿足不同植被、藥液或災害的防護需求，這就要求噴灑系統具備大范圍流量調節能力。該農林噴灑系統通過節流閥的開度調節，實現了2.5左右的流量調節比，但難以滿足多作業模式的流量需求。由圖1所示噴灑系統原理可知，噴灑系統的管路負載主要由旁路管路和主噴管路并聯而成，主噴管路上負載由節流閥和噴頭構成，因此想要獲得較大的流量調節范圍，可改變噴頭負載大小，即更換不同口徑的噴頭。

為研究噴頭過流面積對系統流量的影響，采用某型多口徑規格噴頭，噴頭1過流直徑為1.46 mm，噴頭2過流直徑為1.27 mm，噴頭3過流直徑為1.03 mm。仿真計算結果如表2 所示。由表2可知：使用噴頭2，噴灑系統流量約為50.1～75.4 L/min；使用噴頭3，噴灑系統流量約為39.5～48.9 L/min。改變噴頭規格，可顯著拓寬噴灑系統的流量調節范圍，結合節流閥的開度調節，流量調節比可達3.8左右。

3.3 泵特性分析

表2 不同規格噴頭的仿真結果

圖5 不同出口負載的離心泵特性

由式（1）可知，進口壓力恒定工況時，離心泵的揚程主要受出口壓力影響，出口壓力越大，揚程越大。而離心泵的出口壓力由負載決定，調節節流閥開度和噴頭過流面積均會引起泵出口負載變化。由圖5所示的泵特性曲線可知，不同節流閥開度或使用不同過流面積的噴頭，離心泵的揚程基本維持在39 m左右。減小節流閥開度，泵效率隨之降低，大過流面積噴頭尤為顯著。而減小噴頭過流面積，離心泵效率大幅降低。

為拓寬噴灑系統的流量調節范圍，可通過調節泵出口的節流閥開度、噴頭過流面積等參數來實現。對于本直升機用農林噴灑系統，調節節流閥開度和噴頭口徑均不會對離心泵揚程帶來顯著影響，但調小節流閥開度或噴頭過流面積會引起泵效率降低。

4 結 語

通過仿真分析本農林噴灑系統在不同節流閥開度和噴頭流量調節特性，得出以下結論：1）調節噴灑系統中節流閥的相對開度，能夠改變管路負載，離心泵工作狀態隨之變化，實現噴灑系統的流量調節。2）減小噴灑系統噴頭的過流面積，噴灑流量隨之降低；使用不同過流面積的噴頭可顯著拓寬噴灑系統的流量調節范圍。3）調節節流閥開度，或改變噴頭過流面積，離心泵的揚程基本不變；但調小節流閥開度或減小噴頭過流面積會使泵效率隨之降低。