[00800309]离心式水泵仿生非光滑增效节能研究

(1)任务来源：该项目来源是吉林省科技发展计划项目，计划类别：应用基础，合同编号：20070546。(2)应用领域和技术原理：该项目的研究成果为离心式仿生非光滑水泵叶轮，其应用领域为农业排灌、城市供水、石油、化工、电力冶金、矿山、轻工、和国防各部门等离心式水泵上。其技术原理为：根据仿生原理，模仿在流体介质中具有较好减阻功能的生物非光滑结构，根据相似原理，将这种非光滑结构加工在叶轮表面，从而改变流体介质与叶轮表面的流动状态，以达到增效节能的目的。(3)性能指标:1.合同书要求的主要性能指标：优化设计出具有较好增效节能效果的仿生非光滑表面，预期使得优化的仿生非光滑离心式水泵较传统离心式水泵效率提高3％-5％左右。2.实际达到的性能指标：通过正交试验优化设计，得到增效节能效果较好的仿生非光滑表面为：非光滑形态为凹坑形状，凹坑的直径为0.5mm，凹坑之间的距离为1mm，布置在叶轮侧缘时，这时增效节能的效果较好。实验室试验结果表明，仿生非光滑离心式水泵在两个流量段即流量为8-22m<'3>/h，和流量为40-58m<'3>/h，效率均得到了提高，效率分别提高了3.23％和3.45％。经吉林省泵类产商品质量监督检验站检测，结果表明仿生非光滑水泵的效率提高了3.17％，流量提高了9.09％，扬程无显著变化。(4)与国内外同类技术比较以及成果的创造性、先进性：利用仿生学原理对泵类产品进行优化设计，国内外专家和学者都在积极探索研究之中，多数的研究均集中在对叶轮流道的形状进行仿生优化，或在水泵叶轮流道中加陶瓷，来达到增效节能的目的。上述方法虽然减阻增效效果显著，但是往往要么改变水泵叶轮的结构，要么需要添加其他材料，提高泵的成本。这些都极大的限制了泵减阻技术的推广与应用。仿生学的研究成果表明，自然界生存的许多生物如鲨鱼、海豚、黄缘真龙虱、潮间带生物贝类等，其表面均呈现出不同形态的非光滑形态，在与流体介质的接触中，能够利用体表非光滑结构对流体介质进行有效的控制，具有很好的减阻、耐磨等功能。这为利用仿生功能性表面进行减阻的研究提供了新思路。该项目就是在仿生功能表面具有减阻特性的基础之上，采用金属雕刻技术在离心式叶轮表面雕刻出不同的非光滑形态。通过形成的表面非光滑结构实现对流体的控制，从而提高水泵的效率和扬程。在理论研究和非光滑表面成型技术上均得到较大进展。本方法与其他水泵增效节能的方法相比具有不改变水泵叶轮的形状，不显著提高水泵成本，增效节能效果显著等特点。(5)作用意义:1.经济效益分析据统计，泵的耗电量约占全国总发电量的20％，水泵在供水系统中用电占总耗电量的90％以上，其耗油量约占全国总油耗的5％，它是仅次于电机的应用最为广泛的通用机械。水泵的能源利用率却很低，其综合效率平均只有41％，如果水泵节约用电量6％，就能节电66亿度，相当于近100万千瓦发电厂的一年发电量。由于大多数类型的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％。而该项目的水泵试验效率表明，在实验室阶段，采用仿生非光滑技术使得离心式水泵在两个流量段，即流量为：8-22m<'3>/h，以及40-58m<'3>/h时，水泵的效率均得到提高，提高的效率分别为3.23％和3.45％，该项目选用的离心式水泵是吉林方田水泵厂生产的200QJ50-26水泵，根据GB／Tl2785-2002潜水电泵试验规程，200QJ50-26型离心水泵实际有效流量为40-60m<'3>/h。以上分析流量段40-58m<'3>／h与其基本吻合。也就是说，只要水泵能够保持在有效流量范围内，采用仿生非光滑技术可以使得离心式水泵的效率提高3.45％。经吉林省泵类产商品质量监督检验站检测，结果表明仿生非光滑水泵的效率提高了3.17％，流量提高了9.09％，扬程无显著变化。在能源极其短缺的情况下，提高泵的运行效率所带来的经济效益可想而知。此外，由于泵效率低下而造成额外消耗的能源以及由此而带来的环境污染是用经济效益指标不能够衡量的，也是难以估量的。该项目完成后，优化设计出了易于工程上实现的、具有较好增效节能效果的仿生非光滑表面，建立针对离心式水泵叶轮增效性能的、具有通用性的仿生非光滑技术；并将离心式水泵的效率提高了3％以上。而离心式水泵是一种面大量广的通用型机械设备，广泛地应用于石油、化工、电力冶金、矿山、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要的地位。随着中国经济的不断发展，以及能源的日趋紧张，高效低消耗离心式水泵必将在社会生产中占主导地位，本项成果的完成，符合市场需求，应用潜力巨大，经济效益显著。2.社会效益分析该研究成果带来的社会效益主要体现在以下几个方面：a)绿色环保减阻技术，环境效益显著。能源与环保是二十一世纪的大难题，采用仿生非光滑减阻技术不需要额外的能源作为动力，称得上是一种绿色减阻技术，是一种节约能源和保护环境的清洁减阻技术，符合国家要求的节能减排的战略方针，关系到可持续发展的大方向，对于国家能源安全具有战略意义。B)新技术创新。该成果利用仿生非光滑表面几何形态对流体介质进行流态控制，在提高离心式水泵的效率和扬程方面以及对仿生离心式水泵减阻机理的有限元数值模拟及分析上取得了重要进展，对仿生非光滑表面在水泵叶轮上的加工工艺等关键技术方面获得了突破，为实现通用的仿生非光滑减阻技术的实施奠定了基础。C)促进学术队伍建设和人才培养。在该项目的实施过程中，有3名博士研究生，2名硕士研究生直接参加该课题的研究工作，其中，1名博士研究生获得博士学位、2名硕士研究生获得硕士学位，并直接攻读博士学位。课题运行期间，课题参加人有1人遴选为中国科学院院士，2人晋升为副教授，1人晋升工程师。D)开辟学术交流与合作新方向。在国际交流与合作方面，也取得了显著成绩。(6)推广应用的范围、条件和前景增效、节能是泵类行业不朽的主题，伴随着中国经济的快速发展以及能源的日益紧张，高效节能的水泵在国民经济的发展中必将占据主导地位。据中国统计年鉴2008《电力平衡表》统计，2007年总耗电量32711.8亿千瓦小时，其中泵类产品的耗电量就达到了20.9％，据中国统计年鉴2008《石油平衡表》统计2007年石油消耗量是万36570.1吨，其中泵类产品的耗油量就达到了5％。参考2007年的耗电量统计数据，按照提高离心泵效率2％计算，估计一年可节省电量90亿度，相当于160万千瓦发电厂的一年发电量。该项目完成后，优化设计出了易于工程上实现的、具有较好增效节能效果的仿生非光滑表面，建立针对离心式水泵叶轮增效性能的、具有通用性的仿生非光滑技术；并将离心式水泵的效率提高了3％以上，是一种绿色的减阻技术，而离心式水泵是一种面大量广的通用型机械设备，广泛地应用于石油、化工、电力冶金、矿山、轻工、农业、民用和国防各部门。上述各相应的部门均会成为该技术的受益者，是存在的巨大的潜在用户。仿生非光滑水泵对于节约能源和保护环境都是行之有效的，是关系到节能减排、实现可持续发展大方向的。该项成果的完成，是具有自主知识产权的专利产品，是一种绿色环保的新型技术，具有很强的市场竞争力，符合市场需求，应用潜力巨大，经济效益显著，值得推广。(7)存在的问题和改进意见研究中，课题组发现仿生非光滑叶轮的加工仅限于实验室阶段，手工单件加工，具有效率低，精度不高的缺点；而采用模具加工，由于水泵的叶轮模具属于沙模铸件，实现沙模非光滑化的过程中，容易产生沙模的塌陷，成本往往增加，据此，课题组已经研究成了相应的加工工艺，可以有效的避免这种现象的产生。此外，由于时间和经费的限制，没能进行重复大量的仿生非光滑水泵增效节能试验和仿生非光滑水泵的寿命试验。为此，为保证这种仿生非光滑水泵增效节能的稳定性，还需要进行大量的重复试验。