一种新的无阻力旋转喷头(修改).doc

一种新的无阻力旋转喷头
戎吉宝, 孙进贤, 苟中魁, 刘洪斌
（北京中科恒业中自技术有限公司，北京100080）
摘 要： 针对目前在喷泉中广泛使用的旋转喷头存在的结构缺陷，开发出了一种新的无阻力旋转喷头。在该结构中，旋转体与定筒之间的压力由定筒的上下端面面积差确定，与旋转体的大小无关；合理设计定筒的上下端面半径值，仅需要微调支管的倾斜角度，在理论上就可以做到零阻力旋转。
关键词： 喷泉； 旋转喷头； 零阻力
中图分类号： TU986.4 文献标识码：A
1 引言
旋状喷头是利用水流的离心作用和反作用力的推动，使喷头边喷水边旋转[1]。喷水造型由喷头的支管数目、弯曲方向及喷头安装的倾斜角度决定。旋状喷头的喷水形态为多条水线在空中形成螺旋扭动的曲线，美观多姿，在喷泉中运用广泛。
现阶段，在喷泉行业中使用的旋转喷头都是由旋转体和定筒两大部分组成，结构普遍如图1所示。当压力水进入旋转体内腔时，对旋转体产生一个竖直向上的压力，该压力与旋转体内腔的最大横截面面积成正比。这种结构转动不灵活，需要单独设置推力喷嘴，在低速状态下工作不稳定，甚至停转。另外，喷头做大造成旋转体变大，旋转体与定筒之间的压力增大，旋转需要克服的摩擦力也就越大，故采用这种结构的旋转喷头规格不能做得太大，一般都小于DN50。同时，定筒与旋转体之间为金属与金属摩擦，易于磨损，使用一段时间后存在抖动、跑水现象。

1. 定筒 2. 锁母 3. 支管 4. 螺母 5. 转筒 6. 喷嘴
图1 普通旋转喷头结构图
Fig.1 Structure of common rotating nozzle
针对上述缺陷，开发出了一种新的无阻力旋转喷头。该喷头的最大特点是旋转体与定筒之间的压力由定筒的上下端面面积差确定，与旋转体的大小无关。合理设计定筒的上下端面半径值，仅需要微调支管的倾斜角度，在理论上就可以做到零阻力旋转。
2 喷头结构
该新型旋转喷头结构如图2所示，毫不例外，也是由旋转体和定筒两大部分组成。定筒下端为进水口，与给水管道螺纹连接。为了防止定筒转动，定筒上设计有紧定螺钉。旋转体由转筒、上盖、支管和喷嘴等组成。压力水从定筒四周的孔洞进入转筒内腔，通过支管由喷嘴喷出。支管与竖直平面有一个倾角，依靠喷水反作用力在圆周运动方向上的切向分力推动喷头旋转。

1. 定筒 2. 下密封轴承 3. 转筒 4. 支管 5. 螺母
6. 上盖 7. 上密封轴承 8. 调整螺母 9. 盲盖 10 .喷嘴
图2 无阻力旋转喷头结构图
Fig.2 Structure of rotating nozzle without resistance
3 原理分析
设定筒的下端面外侧半径为，定筒的上端面外侧半径为，旋转体自重为，喷嘴的个数为，喷嘴喷水的出口水压为，单个喷嘴喷水作用在旋状体上的反作力为，支管与竖直平面的夹角为，旋转体与定筒之间的压力为，摩擦力为，摩擦系数为，则有：
（1）
（2）
上面的公式中，、和由旋转喷头的尺寸参数和材料比重唯一确定。当喷头配套水泵的扬程和流量确定的情况下，喷头的喷水出口压力也是确定的。调节水型时，微调支管与竖直平面的夹角，使式（1）中的压力值趋近于零。此时，旋转体近似处于悬浮状态，由于作用在旋转体上的摩擦力趋近于零，喷水产生的切向推力只需克服旋转体自身转动的惯性就可以灵活转动。故该新型旋转喷头不设推力喷嘴，而且支管与竖直平面的倾角也较小，通常取3º~5 º，水形螺旋线好。另外，由于旋转体与定筒之间的摩擦力与旋转体的大小无关，故喷头规格大小不受限制，甚至可以做成超大型旋转喷头。
旋转体与定筒上下接触面采用整体式滑动轴承。轴承材料选用聚四氟乙烯棒料，聚四氟乙烯材料为自润滑材料[2]，摩擦系数很小，不易磨损。上下轴承端面都开有V型槽，压力水进入旋转体内腔时，向两边挤压V形槽，使轴承内边缘紧贴在定筒上，外边缘紧贴在旋转体上，密封性能良好，故该轴承又称为自密封式滑动轴承。
4 工程运用
在工程实际运用中，该结构还有下面两种变化形式：a把盲盖替换为万向喷嘴，可以实现中心喷嘴直喷，外围喷嘴旋转喷水的形态；b把盲盖替换为小规格的旋转喷头，可以实现内外两层喷嘴同时旋转喷水的复合形态。另外，若把该结构翻转90度安装，调节各个支管的弯曲方向使其中心线均处在垂直于定筒中心线的平面内，则变为风水车喷头，风水车喷头的支管数目可以根据需要增加。旋转喷头和风水车喷头安装时，要求所有支管都露出水面，这样可以避免当喷头快速转动时，拍打水面产生的阻力对转动速度的影响。

参考文献：
[1] 田园. 园林动态水景[M]. 沈阳: 辽宁科学技术出版社, 2004.
[2] 成大先. 机械设计手册（第四版第1卷）[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004.

一种新的无阻力旋转喷头
戎吉宝, 孙进贤, 苟中魁, 刘洪斌
（北京中科恒业中自技术有限公司，北京100080）
A New Rotating Nozzle without Resistance in Fountain
RONG Ji-bao, SUN Jin-xian, GOU Zhong-kui, LIU Hong-bin
(Beijing CSCA Technology Co., LTD., Beijing 100080, China)
摘 要： 针对目前在喷泉中广泛使用的旋转喷头存在的结构缺陷，开发出了一种新的无阻力旋转喷头。在该结构中，旋转体与定筒之间的压力由定筒的上下端面面积差确定，与旋转体的大小无关；合理设计定筒的上下端面半径值，仅需要微调支管的倾斜角度，在理论上就可以做到零阻力旋转。
Abstract：To the structure drawback of rotating nozzle used at present broadly in fountain, a new structure is designed. The characteristic of this rotating nozzle is that pressure between rotor and fixed cylinder depends on the area difference of the top&low section of fixed cylinde, and is independent of rotor. If the radius value of top&low section of fixed cylinde is selected reasonably, a rotating state of zero resistance can be achieved theoretically only by adjusting incline angle of branching pipe slightly.
关键词： 喷泉； 旋转喷头； 零阻力
Key words：fountain；rotating nozzle；zero resistance