按结构形式和喷洒特征分类
按喷头结构形式和喷洒特征，可以分为旋转式（射流式）喷头、固定式（散水式、漫射式）喷头、喷洒孔管三类。此外还有一种同步脉冲式喷头。
（1）旋转式喷头。这是绕其自身铅垂轴线旋转的一类喷头。它把水流量集中呈股状，在空气作用下碎裂，边喷洒边旋转。因此，它的射程较远，流量范围大，喷灌强度较低，均匀度较高，是中射程和远射程喷头的基本形式，也是目前国内外使用最广泛的一类喷头。但要限制这类喷头的旋转速度，并应使喷头安装铅直以保证基本匀速转动。
因为驱动机构和换向机构是旋转式喷头的重要部件，因此，根据驱动机构的特点，旋转式喷头还可以分成为摇臂式（撞击式、叶轮式（蜗轮蜗杆式）和反作用式三种。其中摇臂式喷头根据导水板的形式还可分为固定导流板式摇臂喷头和楔导水摆块式摇臂喷头；反作用式喷头还可分为钟表式、垂直摆臂式、全对流式（射流元件式）等。根据是否装有换向机构和喷嘴数目，旋转式喷头又有全圆喷洒、扇形喷洒和单喷嘴、双喷嘴等形式。
（2）固定式喷头。 固定式喷头的指喷洒时，其零部件无相对运动的喷头，即其所有结构部件都固定不动。这类喷头在喷洒时，水流在全圆周或部分圆周（扇形）呈膜状向四周散裂。它的特点是结构简单，工作可靠，要求工作压力低（100－200kPa），故射程较近，距喷头近处喷灌强度比平均喷灌强度大（一般在15－20mm／h以上），一般雾化程度较高，多数喷头喷水量分布不均匀。
根据固定式喷头的结构特点和喷洒特征，它还可以分成折射式、缝隙式和漫射式三种。
（3）喷洒孔管。喷洒孔管又称孔管式喷头，其特点是水流在管道中沿许多等距小孔呈细小水舌状喷射。管道常可利用自身水压使摆动机构绕管轴作900旋转。喷洒孔管一般由一根或几根直径较小的管子组成，在管子的上部布置一列或多列喷水孔，其孔径仅1－2mm。根据喷水孔分布形式，又可分为单列和多列喷洒孔管两种。
喷洒孔管结构简单，工作压力比较低，操作方便，但其喷灌强度高，由于喷射水流细小，所以受风影响大，对地形适应性差，管孔容易被堵塞，支管内水压力受地形起伏变化的影响较大，对耕作等有影响，并且投资也较大，故目前大面积推广应用较少，在国内一般仅用于温室、大棚等固定场地的喷灌。
上述各种喷头中，我国目前使用最多的是摇臂式喷头、垂直摇臂式喷头、全射流喷头、折射式喷头等，特别是摇臂式喷头和固定式喷头在我国应用很普遍。
（二）喷头的性能指标
1．压力
喷头的压力包括工作压力和喷嘴压力。工作压力指喷头工作时，其进水口前的压力，即距喷头进水口20cm处测取的静水压力，单位为kPa，一般在此处的竖管上安装压力表来测量。喷嘴压力是指喷头出口处的水流总压力（即流速水头）。它可以用来评价喷头性能的好坏。喷头工作压力和喷嘴压力非常接近，喷嘴压力是工作压力减喷头内过流部件的水力损失而得出的，所以这个损失越小，喷头内部的流道就越好，产品质量也就越高。
2．流量
喷头流量是指单位时间内喷头喷出的水的体积，单位为m3/h或L／min。影响喷头流量的主要因素是工作压力和喷嘴的直径，同样的嘴径，工作压力愈大，喷头的流量也就愈大，反之亦然。喷头的流量可以用体积法、重量法、堰法、流量计法等测量而得出，也可以用水力学管嘴出流公式计算，即
式中：Q为喷头流量，m3／h；μ为喷头流量系数，取0.85－0.95，一般喷嘴锥角大的（450、500等）取下限，锥角小的（150、250等）取上限；A为喷嘴过水断面面积，m2；g为重力加速度为9.18m／s2；hp为喷头的工作压力水头，m。
3．射程
射程是指在无风情况下，喷头正常工作时的喷洒湿润圆半径，即指喷洒有效水所能达到的最远距离，又称喷洒半径，单位为m。
射程可由实测得出。对于旋转式喷头，为了统一标准，规定在无风条件下正常工作时，量水筒中每小时收集的水深为0.3mm（对于喷水量低于250L／h的喷头为0.15mm／h）的那一点到喷头旋转中心的水平距离作为射程。
对于旋转式喷头，当其结构参数确定后，它的射程就主要受工作压力和转速影响，在一定的工作压力变化范围内，压力增大，射程也相应地增大。超过这一压力范围，压力增加只会提高雾化程度，而射程不再会增加。喷头射程随转速的增大而减小，当转速接近零时，它的射程达到最大。
在喷头流量相同的条件下，射程愈大，则单个喷头的喷灌强度就愈小，其组合喷灌强度也愈小，喷头的布置间隔则可以适当增大。这对于降低成本，提高适应性大有好处，所以射程是喷头的一个重要水力性能指标。
旋转式喷头射程的测试和计算方法可以参见国家标准GB5670.3－85《旋转式喷头试验方法》。下列公式是我国几种喷头射程计算的经验估算公式
RPY1=1.70d0.847hp0.45
RPYS=3.50d0.51hp0.24
RPS=2.35d0.62hp0.26
式中：RPY!为PY1摇臂式系列喷头的射程，m；RPYS为PYS塑料摇臂式系列喷头的射程，m；RPS为PSH、PSBZ步进式全射流系列喷头的射程，m；d为喷嘴直径，mm；hp为喷头工作压力水头，m。
对于固定式喷头，射程用下式来计算
R = 1.35d0..6hp0.4
4．喷灌强度
喷灌强度是指单位时间内喷洒到单位面积上水的体积，或单位时间喷洒的水深，单位为mm／h。它是喷头的主要参数之一，连同喷灌均匀度和水滴雾化程度是衡量喷头水力性能的重要指标。
喷头的计算喷灌强度可用下式来表示
式中：ρ为喷头的计算喷灌强度，mm／h；Q为喷头流量，m3／h；S为喷头喷洒控制面积，m2。
从上式可以看出，喷头的喷灌强度与喷头流量成正比，与喷头控制面积（即喷头的射程）成反比。在设计喷灌时，允许喷灌强度可按下列数值来选用：砂土20mm／h，壤砂土15mm／h，砂壤土12mm／h，壤土10mm／h，粘土8mm／h。有良好植被覆盖时，以上数值可提高20％；在地面有坡度时要降低以上数值，当地面坡度为50时，应降低50％。
5．水滴的打击强度
喷灌时喷洒水滴的打击强度，是指喷洒作物受水面积范围内，水滴对作物或土壤的打击动能。它与喷洒水滴的大小、水滴降落速度和水滴密度密切相关。一般使用雾化指标Pd或水滴直径大小来表征喷灌水滴打击强度，即
Pd=hp/d
式中：Pd为雾化指标；hp为喷头工作压力水关，m；d为毛喷嘴直径，mm。
对于同一喷嘴来说，Pd值越大，说明其雾化程度越高，水滴直径越小，打击强度也越小。
6．喷洒水量分布特性
常用水量分布图来表示喷洒水量分布特性。水量分布图是指在喷灌范围内的等水深（量）线图，能准确、直观地表示喷头的特性。水量分布特性是影响喷灌均匀度的主要因素。
影响喷头水量分布的因素很多，其中风的影响较大。一个做全圆喷洒的旋转式喷头，如转速均匀，在无风情况下，其水量颁等值线图是一组以喷头为中心的同心圆。通常为了更直观地看到水量分布情况，在互相垂直的两个直径方向，取水量分布等值线图的剖面，给出喷头径向水量分布曲线，如图7－24所示。
在有风情况下，风对水量分布的影响如图7－25所示。从图上可以看出：风使水量分布等值线图的逆风带变陡而收缩，顺风带变缓而伸长，整个湿润面积缩小，喷灌强度变大。所以在喷灌系统的规划设计中，喷头布置间距的确定，一定要考虑风的影响。
喷头工作压力是喷头最基本的工作参数，改变工作压力会引起射程、喷头流量、雾化程度及水量分布等方面的变化。对于喷头水量分布来说，喷头的工作压力越高，可使水流分裂加剧，裂变快，有过多的水量落在了喷头附近，射程也会随之减小，喷洒均匀度就不好；压力过低，水流分裂情况不足，大部分的水量射到了远处，导致喷洒不均匀；只有当压力适中时，喷头的水量分布曲线才近似一等腰三角形，如图7－26所示。
四、喷头的工作原理
（一）摇臂式喷头
1．摇臂式喷头的结构与工作原理
（1）摇臂式喷头的结构 摇臂式喷头虽然有许多结构形式，但基本上都由下列几部分组成。
a．旋转密封机构。常用的有径向密封和端面密封两种形式，由减磨密封圈、胶垫（或胶圈）、防沙弹簧等零件组成。
b．流道。水流通过喷头时的通道，包括空心轴、喷体、喷管、稳流器、喷嘴等零件。
c．驱动机构。由摇臂、摇臂轴、摇臂弹簧、弹簧座等零件组成，其作用是驱动喷头转动。
d．扇形换向机构。由换向器、反转钩、限位环（销）等零件组成，其作用是使喷头在规定的扇形范围内喷洒。
e．连接件。摇臂式喷头与供水管常用螺纹连接，其连接件多为喷头的空心轴套。
摇臂式喷头的结构详见图7－27和图7－28。
摇臂式喷头与其他旋转式喷头在结构上的不同之处在于驱动机构。驱动摇臂式喷头旋转的是摇臂机构，摇臂在射流作用下绕自轴摆动，以较大的碰撞冲量撞击喷管或喷体，使喷头旋转。这种间歇施加的撞击驱动力矩，时间短、作用力大，能使喷头转速均匀而稳定，射流集中定向，所以，摇臂式喷头的射程较远而均匀度较高。
摇臂机构中的摇臂、摇臂弹簧及弹簧座都套装在摇臂轴上，摇臂轴固定在喷管或喷体的上部。摇臂弹簧端插入摇臂中部的框架上，另一端插入弹簧座。座上端面有几道交叉线槽，任一道线槽都可嵌入一只固定在轴上的销钉，这样，旋转弹簧座就可以调节弹簧的弹力，从而改变摇臂张角的大小。一般为了便于调节摇臂导流器的受水深度和减少摩擦阻力，摇臂常采用悬挂式结构。
摇臂前端有导流器，后端有平衡重，中间为摇臂框架。摇臂在射流和弹簧的交替作用下，绕摇臂轴做往复摆动。它的作用第一是接受喷嘴射流所施加的能量，驱动摆臂加速，撞击喷管，从而使喷头旋转；第二是导流器周期性地切入射流击碎水柱，使喷洒水量得到均匀的分布。
（2）摇臂式喷头的工作原理 摇臂式喷头的工作原理实质上是摇臂工作时不同能量的相互传递和转化的运动过程，它可以分为以下五个阶段。
a．启动阶段。射流经偏流板射向导流板后，转向600－1200，导流板得到射流的反作用力，使摇臂获得动能而向外摆动，绕摇臂轴转动，使摇臂弹簧扭转，得到扭力矩，此力矩小于射流反作用力矩，所以，摇臂得到角速度而脱离射流。
b．外摆阶段。惯性力使摇臂继续转动，直至摇臂张角达到最大，从而得到最大的扭力矩，此时角速度转变为0，弹簧势能达到最大，即摇臂外摆的动能全部转化为弹簧的弹性势能。
c．弹回阶段。在弹簧扭力矩的作用下，弹簧的弹性势能逐步转化为摇臂的转动动能，摇臂开始往回摆，角速度不断地增加，直到摇臂将要切入射流。
d．入水阶段。具有最大转动动能的摇臂又重新进入射流，偏流板开始最先接受水流导水板不受水），产生的反作用力使摇臂动能急剧增加，角速度变得越来越大。
e．撞击阶段。摇臂在回转惯性力和偏流导板切向附加力的作用下，以很大的角速度开始碰撞喷管，使喷头转动3－50，碰撞结束后，摇臂即完成了一个完整的旋转运动过程。在摩擦力矩的作用下，喷头很快静止停了下来。此后再继续重复上述的旋转运动过程。
如果喷头做扇形喷洒工作，当突变挡块（销）在一个凹下的稳定位置时，摇臂不受突变挡块限制，此时喷头按上述五个阶段周期性地进行正向间歇转动。当突变挡块在一个凸起的稳定位置上时，摇臂正常摆动角度受到限制，在射流作用下，摇臂直接碰撞挡块，喷头反转一个较小角度，在弹簧扭力矩作用下，摇臂返入射流，摇臂对喷管正向冲量力矩很小。此后，在射流作用下，摇臂又摆开。反转运动过程是快速进行的，射程就比较近，水滴多洒落在比较近的地方。
2．垂直摇臂式喷头
（1）结构 垂直摇臂式喷头是一种反作用式喷头，它是利用水流通过垂直摇臂的导流器所产生反作用力，获得驱动力矩的旋转式喷头，它的主要优点是受力情况比摇臂式喷头好。这是因为摆臂不直接撞出喷管，正转时摆臂配重和摆臂轴处配重在运动时对于摆臂轴的作用力方向相反，可以抵销部分撞出力。同时，由于摆臂在与喷管近于平行的平面里运动，摆臂运动的作用力和射流运动产生的作用力相反也产生一个平衡力矩。因此驱动平稳。
这是一种中、高压型的喷头。除幼嫩作物外，其他作物都能适应，另外，它还可以喷洒污水或粪液等混合液体。
垂直摇臂式喷头的结构虽然各厂家有所差异，但概括起来可以分为流道（包括空心轴、喷体、喷管、稳流器、喷嘴等零件）、旋转密封机构（包括轴承座、轴承、密封圈等零件）、驱动机构（包括摇臂、反向摇臂、摇臂轴等零件）、换向机构（包括挡块、滚轮、换向架、拉杆、弹簧等零件）和限速机构（包括摩擦垫、压插、压簧等零件）五个部分，具体结构见图7－28。这种喷头与供水管之间常用法兰连接。
喷头圆环形喷孔出口处有一倾角，射流通过时，虽流量系数有所降低，但能促进射流裂散。喷管一般较长，为喷管直径的8倍以上，稳流器常用效果较好的星形结构。限速机构包括摩擦片、压缩弹簧和调节螺栓等，摩擦片的压力均布在喷头座上，所以，只要改变弹簧的压缩行程，即可改变摩擦片上的压力，亦即起到控制转速的作用。反转时是靠反转臂、反转传动杆及换向架等部件进行的。因此，垂直摇臂式喷头绕喷体中心垂直轴的正、反转是靠两套机构实现的。
（2）工作原理 高速射流从喷孔（多数为环形）射出，冲击导流器（摇臂）摇臂获得能量。冲击力分成向下、向左的两个分力，在向下分力的作用下，摇臂克服平衡锤的重量和摇臂轴的轴承摩擦阻力向下运动；在向左分力的作用下，克服旋转密封机构的摩擦阻力和限速机构的制动摩擦阻力，使喷头向右旋转一个小角度。摇臂向下运动时，其平衡重块升高，得到重力势能，然后在其与摇臂轴平衡重块（有的喷头没有）重力矩的联合作用下，摇臂返回，重力势能转变为转动动能，再次切入射流。同时，在摇臂轴处的摇臂橡胶块与该处的配重橡胶块碰撞，使摇臂转速为零。重复以上过程，在间歇性驱动力矩作用下，喷头不断做间歇性正转（向右转动）。当换向架（轭架、滚轮、啮合限位器合称为换向架）上的滚轴和啮合限位器相接触时，轭架通过反转传动杆，拉动反转臂，使其切水板切入射流得到能量，产生向左的反作用驱动力矩，使喷头迅速向左旋转，直至轭架滚轮接触脱开限位器，传动杆推动反转臂的切水板离开水舌，喷头重新又开始正转。
从能量转换的角度来看，喷头旋转时可分成获能、蓄能、释能、增能四个阶段。如按喷体运动过程也可分成射流动能使喷体绕垂直轴线转动、射流动能与摩擦阻力平衡及复位三个阶段。
垂直摇臂式喷头与摇臂式喷头在接受能量方式上是不同的。前者靠水流冲击和重力回拉。后者靠摇臂撞击和摇臂弹簧回位。
3．固定式喷头
喷洒时其零部件无相对运动的喷头，称为固定式喷头。固定式喷头又称漫射式喷头或散水式喷头。它的特点是在喷灌过程中所有部件相对于竖管是固定不动的，而水流是在全圆周或部分圆周（扇形）同时散开。这样水流分散、喷不远、射程短（5－10m）、喷灌强度大（15－20mm／h以上）。多数喷头的水量分布规律是近处的喷灌强度比平均喷灌强度高得多，因而使用范围受到很大的限制。但是其结构简单，没有旋转部分，工作可靠，而且要求的工作压力比较低，一般水滴比较细，所以常用在公园、草地、苗圃、温室等处。另外还适用于悬臂式喷灌机、中心支轴式喷灌机和平移式喷灌机上，以节约能源。
按固定式喷头的结构和喷洒特点可将其分为三类：折射式、缝隙式和离心式。
（1）折射式喷头的结构及工作原理
喷射水流经过折挡，裂散成水滴的固定式喷头，称为折射式喷头。这种喷头有内支架式、外支架式和整体式三种，喷头由喷嘴、折射锥和支架等部分组成。具体结构见图7－29。
折射锥为锥角1200－1500的圆锥体，锥体表面应很光滑，其轴线要求和喷嘴轴线相吻合，这样有利于水量向四周均匀分散。为调节水滴大小和沿轴向水量分布及散落距离，折射锥与支架之间常常采用螺杆连结，可以调节喷嘴与折射锥之间的距离。折射锥内、外支架的区别在于：采用内支架则占去部分过水断面，相应的喷嘴过水截面积就要大；采用外支架，则喷洒范围内部分地面就成为盲区。整体式的折射喷头均为单面折射，折射锥不是整个圆锥体，而是一个带有部分圆锥面的柱体，喷洒形状为扇形，见图7－29（c），为了简化制作加工，有些做成与水平面成一定角度的斜面。
折射式喷头的工作原理是当喷头工作时，有压水流由喷嘴直接垂直射出后，遇到折射锥的阻拦，形成薄水层而向四周射出，在空气阻力作用下，伞形的薄水层就散裂为小水滴而降落到地面。
（2）缝隙式喷头的结构及工作原理
缝隙式喷头工作时，有压水流经过特制的缝隙，喷出后裂散成水滴，是一种固定式喷头。这种喷头均为整体式加工制作而成，只能作扇形喷洒。一般情况下，是在封闭的管端附近开出一定形状的缝隙，另一端为管接头，如图7－30所示。为了取得较大的射程，有的喷头将其射缝隙做成与水平面成300的夹角。缝隙式喷头的优点是结构简单，比较容易制作，但是它的缝隙很容易被堵塞，且散开的水不很均匀，在缝隙两端水流相对较集中。
缝隙式喷头的工作原理同折射式喷头的工作原理基本相同，只是其有压水流经过固定不动的缝隙喷嘴喷出，形成一个扇形的薄水层，然后在空气阻力的作用下逐渐裂散成水滴，降落到地面。
（3）离心式喷头的结构及工作原理
离心式喷头（又称漫射式喷头）是指有压水流一经喷出即裂散成水滴的固定式喷头，这种喷头主要由喷嘴、锥形轴（螺旋轴）、喷体、接头等部分组成。具体结构见图7－31。
离心式喷头的工作原理是喷头开始工作时，经过竖管的有压水流沿切线方向（图7－31a）或沿螺旋孔道（图7－31b）进入喷体，使水流绕垂直的锥形轴或壁面产生涡流运动，这样水从喷孔中呈中空的环状锥形薄水层，并同时具有沿径向外的离心速度和沿切向旋转的圆周速度向外喷出，甩出的薄水层水流在空气阻力作用下，被裂散成细小的水滴而降落在喷头四周的地面上。
离心式喷头的优点是工作压力低，雾化程度比较高，水滴细小，对作物打击强度小。它的缺点是喷洒控制面积较小。因此多用于苗圃、温室、花卉喷灌和行喷式喷灌机具上。这种喷头均为全圆式喷洒，特别适用于草坪等地方。
