[19]中华人民共和国国家知识产权局 [51]nt.cl. 04D29/402006.01) [12]发明专利申请公布说明书 04D29022006.01) F04D29/242006.01) [21]申请号200810051510.6 [43]公开日2009年6月17日 [11]公开号CN101457767A [22]申请日2008.12.2 [74]专利代理机构长春吉大专利代理有限责任公 [21]申请号200810051510.6 司 [71]申请人吉林大学 代理人朱世林 地址130012吉林省长春市前进大街2699号 [72]发明人任露泉陈庆海田丽梅刘庆平 权利要求书1页说明书4页附图3页 [54]发明名称 一种与流体相接触的仿生弹性壁表面 [57]摘要 本发明涉及一种与流体相接触的仿生弹性壁， 主要解决部件与流体接触表面的减少阻力，提高使 用寿命问题。主要包括弹性表层和弹性表层下的仿 生结构，弹性表层和仿生结构相互耦合，所述的弹 性表层由弹性材料制作，其厚度：0.3~3毫米，邵 氏硬度：A25~90:所述的具有规则几何形状的仿 生结构包括凸起、凹坑或肋条，凸起或凹坑按平行 四边形或菱形分布，肋条平行分布；凹坑直径f=0. 2~2毫米，凹坑深与直径比h:f=0.2~4:凸包直 径e=0.2~2毫米，凸包高与直径比h:e=0.2~ 4,两个相邻的凹坑或凸包之间的中心矩：1~5f, 肋条宽度：a=0.2~2毫米，肋条的底宽：0~0. 5a,肋条间距：1a~5a
200810051510.6 权利要求书 第1/1页 1、一种与流体相接触的仿生弹性壁，其特征在于包括弹性表层和弹性表层下的具有规 则几何形状的仿生结构，弹性表层和仿生结构相互耦合，所述的弹性表层由弹性材料制作， 其厚度：0.3~3.5毫米，邵氏硬度：A2590:所述的具有规则几何形状的仿生结构包括凸起、 凹坑或肋条，凸起或凹坑按平行四边形或菱形分布，肋条平行分布：凹坑直径=02~2毫米， 凹坑深与直径比h:f-0.2~4;凸包直径e=0.2~2毫米，凸包高与直径比h:e=0.24,两个相 邻的凹坑或凸包之间的中心矩：W、L=15f,肋条宽度：a=0.2~2毫米，肋条的底宽：b=00.5a, 按肋条的中心距：d=la5a。 2、根据权利要求1所述的一种与流体相接触的仿生弹性壁，其特征在于所述的弹性表 层采用表面光滑的合成有机物构成，包括天然橡胶、合成橡胶或聚氨酯。 3、根据权利要求1所述的一种与流体相接触的仿生弹性壁，其特征在于分布在流体中 运动物体的外表面上或分布在流体面上运动物体的外表面上。 4、一种分布在流体泵的叶轮和导流壳上的仿生弹性壁，其特征在于分布在叶轮的前后 盖板的内侧表面和叶片的表面、导流壳的内表面和导流叶片上
200810051510.6 说明书 第1/4页 种与流体相接触的仿生弹性壁表面 技术领域 本发明主要涉及流体泵（包括水泵，油泵和其他流体泵）组件，特别是涉及流体泵内部 表面结构，包括导流壳和叶轮等。属于一种与流体相接触的表面结构。 背景技术 目前，公知的流体泵采用铸造工艺做成，大多泵内壁表面不作处理，这样使流体泵的效 率很低，同时流体泵的叶轮和导流壳直接与流体接触，有些流体，例如海水，使流体泵的叶 轮和导流壳的腐蚀很严重，减少了流体泵的使用寿命。有些流体泵在泵内壁贴挂一种釉质降 低阻力，这样不仅增加了制造成本和工艺难度，同时效果不明显。 发明内容 仿生学是从生物进化过程中生物对环境的适应而形成的生物原形出发，结合生产和生活 中的工程应用，将生物对环境中适应的比较优化的结构应用在工程中。本发明从鱼类在亿万 年进化过程中形成的解剖结构，体表是肌肉，在肌肉下面是骨骼，在水中的阻力很小，典型 的是海豚皮结构。海豚之所以游得快，不仅仅是因为其流线型体形，还由于其特殊的皮肤构 造。物体在水中运动时受到的阻力的大小，与流经运动物体表面的水的流动形式有关，若水 接触的是钢铁等坚硬物质的表面，则由于水流产生紊流现象，水的阻力会随之增加；若水接 触的是柔软且具有极微细凹凸面的物体表面，则由于物体表面本身具有吸收和消除产生水流 紊流的现象，所以水的阻力会下降。海豚的皮肤可分为三层：第一层是光滑柔软的表皮层； 第二层是白色的真皮层，它生有无数的乳头状，中空的突起物，且伸向黑色的表皮里面；第 三层是很厚的脂肪层，很有弹性。由于这种构造，使海豚在水中游泳时，皮肤能顺从水的压 力而波动，阻力小，摩擦力也小，其航速就快。 发明的目的在于提供一种与流体相接触的仿生弹性壁表面。该表面利用仿生学原理，改 变液体泵内壁表面的结构，使流体在此结构表面流动时，阻力减小，从而提高效率。此结构 简单，成本低。 本发明的神速目的是这样实现的，结合附图说明如下： 一种与流体相接触的仿生弹性壁，包括弹性表层和弹性表层下的具有规则几何形状的仿 生结构，弹性表层和仿生结构相互耦合，所述的弹性表层由弹性材料制作，其厚度：03~3.5 毫米，邵氏硬度：A25~90:所述的具有规则几何形状的仿生结构包括凸起、凹坑或肋条， 凸起或凹坑按平行四边形或菱形分布，肋条平行分布：凹坑直径=0.2~2毫米，凹坑深与直 径比h:f=0.2~4;凸包直径e-0.2~2毫米，凸包高与直径比h:e=0.2~4,两个相邻的凹坑或
200810051510.6 说明书第2/4页 凸包之间的中心矩：W、L=1-5f,肋条宽度：a=0.2-2毫米，肋条的底宽：b=00.5a,按肋 条的中心距：d=la5a。 所述的弹性表层采用表面光滑的合成有机物构成，包括天然橡胶、合成橡胶或聚氨酯。 分布在流体中运动物体的外表面上或分布在流体面上运动物体的外表面上。 分布在叶轮的前后盖板的内侧表面和叶片的表面、导流壳的内表面和导流叶片上。 本发明利用仿生弹性壁减少阻力、减少气蚀、阻力和能量消耗，减少紊流损耗，使流体 更接近于层流。以实现以下技术效果：可以降低流体阻力，提高流体泵的效率：可以提高流 体泵的耐磨能力，提高流体泵的使用寿命。 附图说明 图1仿生弹性壁表面肋条结构： 图2仿生弹性壁表面弹性弹性表层： 图3仿生弹性壁表面凹坑结构； 图4仿生弹性壁表面凸包结构： 图5肋条分布示意图： 图6凹坑和凸包平行分布示意图： 图7凹坑和凸包菱形分布示意图： 图8(a,b,c,d,e,f)仿生弹性壁表面样件照片。 具体实施方式 下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容。 本发明的仿生弹性壁，是由弹性表层和其下面的仿生结构组成。弹性表层是一层天然橡 胶或合成橡胶或者聚氨酯，具有一定的硬度，硬度范围邵氏A25-90,表面光滑，厚度“W” 范围0.2~2毫米；在弹性表层下面是仿生结构，分布着按一定规律排布的肋条结构或凹坑、 凸包。肋条宽度范围“a”在0.2-2毫米，深度“c”和宽度的比值在0.2~4之间，其中“b” 为肋条的底宽，范围在0-0.5之间。肋条的分布为平行分布，图中“d”为间距，间距法范 围为1a~5a间距。凹坑直径“f”范围在0.2~2毫米，深径比(h:f)范围在0.2~4之间；凸 包直径“e”范围在0.2-2毫米，高径比(h:e)范围在0.2~4之间。凹坑和凸包的分布规律 为平行四边形分布或菱形分布，分布间距定义为两个相邻的凹坑或凸包之间的中心矩，分布 间距的范围为1倍直径到5倍直径之间。采用衬胶或粘贴或热敷工艺使两者紧密的结合在一 起。仿生弹性壁在叶轮的分布位置为前后盖板的内侧和叶片的表面，在导流壳内位置是导流 叶片的表面。这样的结构和海豚皮一样会减少流体的紊流现象，降低流体的阻力。 本发明专利还可以在在导流壳内壁贴挂仿生弹性壁，在叶轮表面贴挂仿生弹性壁。 下面以50吨26米扬程的水泵实验为例进一步说明：在实验中将仿生弹性壁布置在叶轮 前后盖板的内表面的侧缘和叶片的侧缘上。肋条的宽度为0.50、0.90、1.30毫米，截面为正 三角形，间距比分别为1,2,3倍肋条宽度：凹坑和凸包的尺寸为0.50、0.90、1.30毫米
200810051510.6 说明书第3/4页 间距比分别为1,2,3倍直径，深径比和高径比为0.5，分布平行分布：实验效果提高效率 比率在1%~5%，同时提高了流量，在整个流量范围内，效果显著，其中表一是光滑叶轮的 实验数据。表二是仿生弹性壁叶轮的实验数据，在表二中的仿生弹性壁川轮中，弹性壁为聚 氨酯，邵氏硬度70，厚度1毫米，其中一个叶轮的非光滑结构是肋条，分布位置在叶轮前 后盖板内表面的侧缘，肋条截面正三角形，宽度0.9毫米，间距为3倍宽度，另外一个叶轮 的非光滑结构也是肋条，分布位置在叶轮前后盖板内表面的侧缘，肋条截面正三角形，宽度 1.3毫米，间距为1倍宽度。效率提高3.17个百分点，相对提高4.29%；流量由55吨提高 到60吨，提高约9%：仿生弹性壁的使用效果非常好。该实验在吉林省泵类产品检验站完成 的。 表一：光滑叶轮的实验数据 水泵性能试验记录 型号： 200Q.J50 试验数据 序号 流量 扬程 转差 工频 转速 动扬程 (L/S) (m/h) (Mpa) (m) (r/s) Hz) (r/min) (m) 0.00 0.00 0.3447 35.16 1.4391 50.01 2914.6 0.0000 2 2.77 9.97 0.3277 33.42 1.9311 49.99 2883.6 0.0155 3 4.01 14.44 0.3209 32.73 1.5836 49.99 2904.1 0.0325 4 5.32 19.15 0.3156 32.20 2.1061 49.97 2872.0 0.0571 6 6.84 24.64 0.3082 31.43 1.8510 49.97 2887.2 0.0945 6 7.81 28.10 0.3013 30.47 1.9478 49.99 2882.4 0.1229 7 9.13 32.88 0.2927 29.86 2.0147 50.01 2879.6 0.1683 8 10.52 37.87 0.2820 28.76 2.1114 50.02 2874.3 0.2233 9 11.63 41.88 0.2716 27.70 2.1881 50.00 2868.5 0.2731 o 13.06 47.02 0.2603 26.55 2.3027 50.00 2862.1 0.3442 11 14.07 50.65 0.2481 25.30 2.3586 49.97 2857.0 0.3994 12 15.45 55.62 0.2292 23.38 2.3703 49.98 2856.3 0.4817 13 16.72 60.02 0.2087 21.29 2.2635 49.95 2861.3 0.5645 计算数据 换算到额定转速np=2850 r/min 流量 总扬程 水功率 轴功率 流量 扬程 水泵效率 序号 m3/h) (a) (KW) KW) (m3/h) (m) 轴功率(KW) (%) 1 0.00 37.05 0.00 3.35 0.00 35.42 3.13 0.00 2 9.97 35.33 0.96 3.49 9.85 34.51 3.37 27.51 3 14.44 34.65 1.36 3.71 14.17 33.37 3.51 36.73 4 19. 15 34.14 1.78 3.89 19.00 33.62 3.80 45.81 5 24.64 33.42 2.24 4.23 24.32 32.56 4.07 53.04 6 28.10 32.75 2.51 4.44 27.78 32.02 4.29 56.50 7 32 88 31.92 2.86 4.62 . 31.26 4.48 61.81 8 37.87 30.88 .82 37 5 30.36 4.70 66.08 9 41.88 29 86 3. 1 4.92 41.61 29.48 4.83 69.22 10 47.02 28.78 3.69 5.12 46.82 28.54 5.06 71.94
200810051510.6 说明 书 第4/4页 11 50.65 27.59 3.81 5.20 50.53 27.46 5.16 73.23 55.62 25.76 3.90 5.28 55.50 25.64 5.25 73.86 1 60.21 23.74 3.89 5.34 59.97 23.55 5.27 72.93 流量计系数： 6.7680 次/1 压力表位高 1.89m 测压管直径：0.080 表一：仿生弹性壁叶轮的实验数据 水泵性能试验记录 型号： 200QJ50 试验数据 号 流量 扬程 转差 工频 转速 动扬程 (L/S) (m3/h) (Mpa) (m) (r/s) (Hz) (r/min) (m) 1 0.00 0.00 0.3641 37.13 1.3060 49.99 2921.0 0.0000 2 2.77 9.99 0.3516 35.86 1.4912 50.01 2911.1 0.0155 3 4.18 15.04 0.3447 35.16 1.6230 50.01 2903.4 0.0352 4 5.52 19.89 0.3370 34.38 1.7525 50.01 2895.2 0.0616 5 6.97 25.10 0.3266 33.32 1.8989 49.98 2884.9 0.0981 6 8.30 29.89 0.3165 32.29 2.0168 49.98 2877.6 0.1391 1 9.58 34.49 0.3066 31.27 2.1214 50.00 2872.5 0.1852 8 11.08 39.89 0.2939 29.97 2.2767 50.01 2864.1 0.2478 9 12.19 44.96 0.2810 28.67 2.3820 50.01 2857.4 0.3147 10 13.94 50.20 0.2655 27.08 2.4832 50.01 2851.4 0.3924 11 15.19 54.70 0.2476 25.26 2.4977 49.98 2849.0 0.4659 16.77 60.36 0.2275 23.21 2.5756 49.98 2844.3 0.5673 13 17.92 64.52 0.2072 21.14 2.6004 49.98 2842.9 0.6482 14 19.31 69.53 0.1828 18.65 2.6064 49.98 2842.9 0.7527 计算数据 换算到额定转速np2850 r/min 序号 流量 总扬程 水功率 轴功率 流量 扬程 轴功率 水泵效率 (m3/h) (m) (KW) (KW) (m3/h) (m) (W) (%) 0.00 39.02 0.00 3.03 0.00 37.15 2.82 0.00 2 9.99 37.77 1.03 3.40 9.78 36.20 3.19 30.18 3 15.04 37.08 1.52 3.67 14.76 35.73 47 41.37 19.89 36.33 1.97 3.97 19.58 35.20 3.78 49.60 5 25.10 35.30 2.41 4.24 24.80 34.45 4.09 56.89 6 29.89 34.32 2.79 4.44 29.60 33.66 4.31 62.97 34.49 33.35 3.13 4.69 34.22 32.83 4.59 66.72 39.89 32.11 3.49 5.00 36.69 31.80 4.93 69.70 9 44.96 30.87 3.78 5.15 44.84 30.71 5.11 73.37 o 50.20 29.37 4.01 5.37 50.18 29.34 5.36 74.75 11 54.70 27.61 4.11 5.50 54.72 27.63 5.51 74.79 12 60.36 25.66 4.22 5.48 60.48 25.77 5.51 77.03 13 64.52 23.67 4.16 5.48 64.68 23.79 5.53 75.85 14 69.53 21.29 4.03 5.49 69.70 21.40 5.53 73.42 流量计系数：6.7680 次/1 压力表位高： 1.89m 测压管直径：0.080 m 6
200810051510.6 说明 书附图 第1/3页 a 图1 业 图2 f h 图3 h e
200810051510.6 说明书附图第2/3页 图4 图5 一L T 图6 图7
200810051510.6 说明书附图第3/3页 样件1 样件2 图8(a) 图8(b) 样件3 样件4 图8(c) 图8(d) 样件5 样件6 3验 图8(e) 图8(f) 9