CN101984258A

CN101984258A - 一种离心式仿生耦合泵

Info

Publication number: CN101984258A
Application number: CN 201010586526
Authority: CN
Inventors: 任露泉; 田丽梅; 陈庆海; 卜兆国; 廖庚华; 李文渊
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2011-03-09

Abstract

本发明涉及一种离心式仿生耦合泵，属于流体机械等多个领域。该泵的叶轮采用仿生耦合叶轮与普通泵壳组合、仿生耦合泵壳与普通叶轮组合或者是仿生耦合叶轮与仿生耦合泵壳组合，仿生耦合叶轮或仿生耦合泵壳内的导流叶片上布置有仿生非光滑结构，仿生非光滑结构为肋条状或凹坑形，肋条状或凹坑形非光滑结构顺着叶轮流道和泵壳内的导流叶片对应分布；肋条状的横断面为正三角形，边长为0.5～1.3mm，肋条之间的距离为0.5～3.9mm；凹坑状的凹坑半径为0.5～1.3mm，凹坑之间间距为0.5～3.9mm。离心式仿生耦合泵解决了现有离心式水泵效率低，易发生汽蚀等现象。改善了离心式水泵的性能，并提高了其效率及扬程。

Description

一种离心式仿生耦合泵

技术领域：

本发明涉及农业或工业用流体机械。

技术背景：

水泵是广泛应用于在国民经济中的通用机械。根据有关数据统计，在中国，水泵的耗电量约占全国总发电量的20％，其耗油量约占全国总油耗的5％，现在，水泵已经成为除电机之外，应用最为广泛的通用机械。因此，提高水泵的运行效率，节能降耗势在必行。由于大多数类型的水泵是比较成熟的机械，从设计角度出发提高泵效率1％都非常困难，而水泵运行如果偏离设计的高效点，实际运行的效率远不止降低1％。因此，需要一种全新的理念来提高泵的效率。

发明内容：

本发明提供一种离心式仿生耦合泵，目的在于不改变原设计水利模型的基础上，利用仿生耦合理论，采用仿生耦合技术来达到离心式水泵增效节能目的。

本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：

一种离心式仿生耦合泵，主要有叶轮和泵壳组成，所述的叶轮采用仿生耦合叶轮与普通泵壳组合、仿生耦合泵壳与普通叶轮组合或者是仿生耦合叶轮与仿生耦合泵壳组合，所述的仿生耦合叶轮或仿生耦合泵壳上布置有仿生非光滑结构，仿生非光滑结构为肋条状或凹坑形，肋条状或凹坑形非光滑结构顺着叶轮流道和泵壳内导流叶片对应分布；所述的肋条状的横断面为正三角形，边长为0.5～1.3mm，肋条之间的距离为0.5～3.9mm；所述的凹坑状的凹坑半径为0.5～1.3mm，凹坑之间的间距为0.5～3.9mm。

所述的仿生非光滑结构上敷有一层厚度为0.1mm～0.5mm、邵氏硬度值在A30～A70之间的PTU材料、聚氨酯材料或是树脂材料，喷涂采用热敷或采用旋转式喷涂的方式进行。

所述的仿生耦合叶轮的仿生非光滑结构布置在叶轮背面或侧面，或布置在起于进水口，止于出水口处。

所述的肋条状仿生非光滑结构加工在叶轮的侧面，边长取0.5～1.3mm，肋条之间的距离为0.5～3.9mm，将邵氏硬度为50的树脂材料敷于仿生非光滑结构上。

所述的肋条状仿生非光滑形态加工在叶轮的背面，肋条的边长为0.5～1.3mm，间距为0.5～3.9mm，将邵氏硬度为A50的聚氨酯材料敷于仿生非光滑结构上。

所述的一种离心式仿生耦合泵，其特征在于，所述的肋条状或是凹坑状仿生非光滑结构沿泵壳内表面导流叶片的上下表面的具体形状分布而定，肋条状非光滑结构的边长为0.5～1.3mm，肋条之间的距离为0.5～3.9mm，凹坑的半径为0.5～1.3mm，间距为0.5～3.9mm，将邵氏硬度为A50的聚氨酯材料敷于导流叶片上下表面的仿生非光滑结构上。

所述的仿生耦合叶轮或仿生耦合泵壳采用铸造工艺或采用电火花加工工艺完成非光滑表面的加工。

离心式仿生耦合泵是由仿生耦合叶轮和仿生耦合泵壳组合而成的。仿生耦合叶轮是在传统叶轮表面上，加工有各种形态的仿生非光滑形态，并在其表面上喷涂有一定厚度的PTU材料、聚氨酯材料或是树脂材料耦合而成，参阅图1，2所示。仿生耦合泵壳是在传统泵壳导流叶片的上下表面加工有各种形态的仿生非光滑结构，同样也在仿生非光滑形态上喷涂有PTU材料、聚氨酯材料或是树脂材料耦合而成的。

本发明是从水泵叶轮与流体介质之间的相互作用力学与运动学关系出发，采用现代仿生学原理、仿生耦合理论而发明的。科学家们通过对某些生活在流体介质中的生物如海豚等研究发现，海豚其实际游泳速度与其生理所能提供的能力之间存在巨大差别，这是由于海豚具有“自适应性”皮肤所致。海豚皮肤具有三层结构，最外面是表皮，其上有薄而光滑的角质膜；中间层是真皮层，像海绵一样，长有许多乳突，中空的乳突间充满着血液或体液，这些乳突在运动中能承受很大的压力；最里面由交错的胶质和弹性纤维组成，中间充满了脂肪细胞，当海豚快速游动时，随着水的阻力增加，海豚的皮肤由光滑逐渐变为相应的非光滑形态，此时，光滑表皮，具有弹性的皮下组织以及纤维结节形成优异的耦合状态，这种耦合状态可以有效的降低阻力。模仿海豚皮肤的结构、材料、功能，将这种优异的仿生耦合理念应用到离心式水泵上，开发出适合离心式水泵的新型节能、绿色、环保的水泵具有重要的指导意义。

本发明具有以下效果：采用现代工程仿生耦合技术，提高了离心泵效率、有效的防止了离心式泵汽蚀现象，提高了离心泵的耐腐蚀性。仿生耦合泵工作时，由于涂敷在叶轮或是泵壳的PTU、树脂或是聚氨酯等材料材料，在负高压时产生弹性变形，吸收了部分能量，并在负高压峰值后释放这部分能量，可以有效的减小能量损失，从而提高了效率。当水流强烈冲击叶片时，变形后的PTU、树脂或是聚氨酯等材料耦合水泵叶轮表面非光滑结构，吸收了部分叶轮流道内部的紊流能量，对横向和纵向的湍流猝发都有抑制作用，起到稳定紊流、推迟转捩的目的，从而达到增效节能的目的。当工作介质不是清水而是其它具有腐蚀性的介质时，由于这些具有很好的耐腐蚀性，防止腐蚀性的介质和离心泵的叶轮和泵壳直接接触，有效地提高离心泵的耐腐蚀性。在水泵入口处，水在负压下被高速吸入叶轮中，此时，水流状态极不稳定，当叶轮内局部产生高负压时，会产生汽蚀(通常发生在叶轮进口稍后的地方)，汽蚀时产生的气泡，流动到高压处时，其体积减小以致破灭，称为汽蚀溃灭，这会对离心泵的基材产生很大的冲击作用，极大的降低了离心泵的性能，由于这些材料的存在，也能够有效的预防这种汽蚀现象的发生。

附图说明：

图1加工在叶轮背面的仿生耦合水泵示意图，其中：

图1(a)肋条状仿生耦合水泵示意图。

图1(b)肋条状仿生非光滑结构加工在叶轮背面。

图2加工在叶轮侧面的仿生耦合叶轮示意图，其中：

图2(a)凹坑性非光滑耦合水泵剖面示意图。

图2(b)凹坑型非光滑结构加工在叶轮的侧面。

图3.仿生耦合水泵与传统水泵流量-效率对比图

图4.仿生耦合水泵与传统水泵流量-扬程对比图

图中：1.是肋条状非光滑结构，2.为叶轮的背面，3.为PTU、树脂或是聚氨酯等材料，4、为非光滑结构之间的间距，5.为凹坑型非光滑结构加工在叶轮的侧板上，6.为叶轮的侧板

具体实施方式：

以下结合实例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。

以200QJ50-26型离心式水泵为例，具体说明实施过程，以非光滑形状为肋条状和凹坑型为例来说明仿生耦合叶轮的加工过程。根据离心式水泵叶轮的工作原理，非光滑单元主要布置在水泵叶轮的背面和侧面两种地方。非光滑单元的尺寸，对于横截面为正三角形的肋条指的是边长，对于凹坑型非光滑单元指的是凹坑的半径，非光滑之间的间距为边长或是半径的1-3倍。非光滑单元的具体形态、布置位置及尺寸参阅1和2所示。这些非光滑单元采用雕刻直接加工或是铸造的方式直接加工在水泵叶轮的侧面或是背面上。参阅图1，2所示，其次，采用旋转喷涂或是热敷的方式在非光滑表面上贴附有厚度为0.1-0.5mm，邵氏硬度为A50的PTU、树脂或是聚氨酯(通常这些材料与铸铁表面能够很好的贴和在一起，且具有很好耐磨性)。

实施实例1：

肋条状仿生非光滑形态加工在叶轮的侧面，肋条状非光滑结构的横断面为正三角形，边长为0.9mm，肋条之间的距离为2.7mm，将邵氏硬度为50的树脂材料贴附在水泵的叶轮，在整个流量段内，与未采用仿生耦合设计的传统水泵相比，在整个有效流量段内(200QJ50-26型离心式水泵的有效流量段位40m3～60m3)效率均得到提高，如图3所示，在流量为55m³时，效率提高2％左右，在流量为65m³，效率提高了5％。

实施实例2：

凹坑状仿生非光滑形态加工在叶轮的侧面，凹坑半径为0.5mm，凹坑之间的间距为1mm，敷有邵氏硬度为A50的PTU材料，与未采用仿生耦合设计的传统水泵相比，在有效流量段内，效率均得到提高，在流量为60m³，效率提高2％左右，在整个流量段内，扬程均得到提高，如图4所示，尤其是在流量为60m³，扬程提高了1.75m左右，提高幅度达到6.7％。

实施实例3：

肋条状仿生非光滑形态，加工在叶轮的背面，肋条的边长为1.3mm，间距为2.6mm，敷有邵氏硬度为A50的聚氨酯材料，与未采用仿生耦合设计的传统水泵相比，在有效流量段内，效率，在流量为60m³时，效率提高了接近2％，在整个流量段内，扬程均得到提高，扬程平均提高3.4m，提高幅度达13.11％。

以上三种实施实例的仿生耦合水泵与未经耦合设计的传统水泵的效率-流量曲线图、扬程-流量曲线图如图3，图4所示。

Claims

1.一种离心式仿生耦合泵，主要有叶轮和泵壳组成，其特征在于，所述的叶轮采用仿生耦合叶轮与普通泵壳组合、仿生耦合泵壳与普通叶轮组合或者是仿生耦合叶轮与仿生耦合泵壳组合，所述的仿生耦合叶轮或仿生耦合泵壳上布置有仿生非光滑结构，仿生非光滑结构为肋条状或凹坑形，肋条状或凹坑形非光滑结构顺着叶轮流道和泵壳内导流叶片对应分布；所述的肋条状的横断面为正三角形，边长为0.5～1.3mm，肋条之间的距离为0.5～3.9mm；所述的凹坑状的凹坑半径为0.5～1.3mm，凹坑之间的间距为0.5～3.9mm。

2.根据权利要求1所述的一种离心式仿生耦合泵，其特征在于，所述的仿生非光滑结构上敷有一层厚度为0.1mm-0.5mm、邵氏硬度值在A30-A70之间的PTU材料、聚氨酯材料或树脂材料，喷涂采用热敷或采用旋转式喷涂的方式进行。

3.根据权利要求1或2所述的一种离心式仿生耦合泵，其特征在于，所述的仿生耦合叶轮的仿生非光滑结构布置在叶轮背面或侧面，或布置在起于进水口，止于出水口处。

4.根据权利要求3所述的一种离心式仿生耦合泵，其特征在于，所述的肋条状仿生非光滑结构加工在叶轮的侧面，边长取0.5～1.3mm，肋条之间的距离为0.5～3.9mm，将邵氏硬度为A50的树脂材料敷于仿生非光滑结构上。

5.根据权利要求1或2所述的一种离心式仿生耦合泵，其特征在于，所述的凹坑状仿生非光滑形态加工在叶轮的背面，凹坑的半径为0.5～1.3mm，间距为0.5～3.9mm，将邵氏硬度为A50的聚氨酯材料敷于仿生非光滑结构上。

6.根据权利要求1或2所述的一种离心式仿生耦合泵，其特征在于，所述的肋条状或是凹坑状仿生非光滑结构沿泵壳内表面导流叶片的上下表面的具体形状分布而定，肋条状非光滑结构的边长为0.5～1.3mm，肋条之间的距离为0.5～3.9mm，凹坑的半径为0.5～1.3mm，间距为0.5～3.9mm，将邵氏硬度为A50的聚氨酯材料敷于导流叶片上下表面的仿生非光滑结构上。

7.根据权利要求1及2所述的一种离心式仿生耦合泵，其特征在于，所述的仿生耦合叶轮或仿生耦合泵壳采用铸造工艺或采用电火花加工工艺完成非光滑表面的加工。