如何提高中国水泵行业的设计制造水平

目前我国自主生产设计的水泵已经国内市场投放上取得了很到成就，几乎占有市场份额的绝大部分，但是在国外市场上，我国自主生产设计的水泵却很难打进去，究其原因，还是因为我国自主生产设计的水泵与国际领先水平存在一些差距。本文就目前国内外水泵研究现状入手分析，提出水泵改造的可行性措施，为我国自主研发水泵技术达到或超过国际水平提供理论支持。 　　

1 我国水泵技术发展现状 　　

我国现阶段水泵生产形式以及图纸模型等主要为联合设计、引进、自行研发几种，我国市场上和行业使用的水泵基本上都是通过这些手段设计制造的，是国内市场的主导产品，但是这些产品的设计水平和技术相对于国际先进水平还有一定的差距。比如国内生产的水泵很少有完全独立自主的设计，往往是复制或者借鉴参照国外图样，缺少自主研发的灵活性和巧妙行，可拓展性很小，这也造成我国在生产设计水泵过程中缺乏自主意识，思维不够灵活，无法从目前这些设计框架中突破出来，形成自己的、独特的设计理念和技术。若只在别人的基础上修改、改良而缺乏国外设计师的那种自由奔放的思考，这样是不会有很大的进步和突破的。另外，虽然国内设计生产的水泵成本较低并很快占据了国内市场，但是在国际市场上还是空白。 　　

2 国外先进水泵技术发展现状 　　

在国外一些技术较为先进的国家，他们对水泵的设计都有一个统一的理念，即设计奔着机构巧妙、设计思维灵活、具有独立自主的设计意识、重视水泵结构的同时一样重视水泵材料等，比如意大利国家对水泵的用材非常讲究，不锈钢外壳必须具备一定的标准才可以使用，另外日本在设计制造水泵时，他们对水泵的细节要求非常高，制造出来的水泵非常精细。 　　

国外水泵研究设计相对国内来说主要有以下几个方面存在领先： 　　

1）大容量计算机精准预测技术、模型计算机设计技术等；

2）在水泵开发研究中发现汽蚀现象的一项重要成果，即过流部件的汽蚀破坏程度dE/dt与泵的气泡长度L有如下指数关系：dE/dt=K，并且气泡长度有近似计算方法；

3）从两个方向研究泵的震动特性，并取得一定成果；

4）引入一种逆向函数传递发测量泵的振动值后，获取叶轮外力特性；

5）在设计上，国外更加注重叶轮的动力特性和汽蚀现象的研究，磁性轴的发明和应用实现了水泵领域的一项重大技术突破；

6）以计算机为基础，实现机械零件实型成型技术，对提高设计水平有较为明显的意义。 　　

3改造我国水泵设计性能的可行性措施 　　

近些年来，我国水泵设计制造技术已经取得很大进步，有些设计已经接近国际领先水平，但是在水泵设计制造的很多方面还是存在一些差距的，比如设计理念、机械用材、设计制造的新技术等方面，所以我国在水泵研究设计过程中，首先应该调整心态，确立正确的理念，然后才是对用材和技术方面的深入研究开发。 　　

3.1 对叶轮的改造 　　

叶轮是水泵的心脏，他决定了泵的扬程和效率，在工况和设计差异不大的情况下，泵体对水泵性能的影响是较小的，多以对叶轮的改进显得尤为重要。首先可以引进国外先进的大容量计算机精准预测技术，并组织专业人员对其进行精细研究。通过此项技术对水泵叶轮进行模型预测和设计，另外运用有限元计算和实验模态分析对叶轮的动态特性进行计算分析，引入模态置信度和特征值灵敏度修改理论，对叶轮的设计改进提供一种基于动态性的设计方法。另外为了延长叶轮的使用寿命，除了改善泵空化性能外，还可以采用优质良材，比如采用1Cr13Ni4Mo不锈钢等。 　　

对水泵叶轮的技术性改造理念应主要集中在灵活性和适应性上，针对目前国际上比较先进的CFD技术、三元流技术等，我国相关机构和部门应加大研发投入，建立专业的研发团队和研发人员培养机制、体系，为水泵技术研发源源不断的输送人才。 　　

3.2 引进三元流技术 　　

早在1976年，美国权威工具书《泵手册》就已经对我国科学家吴仲华创立的三元流动理论进行详细的分析，并认为这项技术必定发展成为水泵设计制造行业的领先技术。1986年，射流——尾迹三元流动计算方法就开始投入水泵设计运用中，随着该项技术的发展，目前我国和世界其他先进国家都在深入研究和使用该项技术，可以说这是我国水泵技术方面为数不多的一项领先与世界其他国家的技术，所以我国在设计制造水泵过程中一定不能落下此项技术。 　　

“射流——尾迹”现象最早发现于航空离心压气机中，通过激光测速技术观察到“射流——尾迹”现象。如图1所显示，弯曲线dh和cg分别代表相邻的两个叶轮，dc和hg分别为进口和出口，W1和W2分别表示进、出口处的流速，t是流动分离点，htv是尾迹区，cdtvg则是射流区。但是对于尾迹的计算，目前尚无准确方法。由于粘性和压力梯度的存在，泵轮出口沿叶片吸力面及前盖板表面都会有流体脱流，形成尾迹区，只有通过“射流——尾迹三元流动”计算才能得出定量分析，进而是泵的性能提高。 　　

水泵三元流叶轮改造技术实际上是使用领先的水泵设计软件，重新对水泵内水力部件进行优化设计，可以实现在不改变电机、泵体、管线的条件下增大流量、提高压力，达到提高水泵泵效。如图2所示，两种设计叶轮的安装尺寸（轴孔、键、密封环）相同，但是叶片的形状进行了很大改变，子午流到三元流叶片的加宽增大了流通能力，另外直径的减小相对增大了出口宽度。同时三元流叶片进口边向来流进口扩展，减少进口损失，因此通过三元流动计算技术改进的叶轮更加合理。 　　

3.3 CFD技术研究和运用 　

计算流体力学（CFD）技术的研究重点是采用数值计算的方法，通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程。目前在业界的普遍研究中大致认为分三个层次：基本数值方法、数值计算与实验相辅、解决实际工程问题，国内外较为先进的运用主要集中在第二层次，运用CFD技术，可以有效减少实际试验的次数，提高水泵性能。在财力、专业人员等支持不足的情况下，依靠科技大力发展CFD技术，建立三维粘性数值模拟软件系统，能够在减小投入、减低成本的前提下快速提高我国水泵研发水平，才有可能尽快的使我国水泵设计水平达到或者领先世界先进水平。 　　研究和完善叶轮网格生成技术是进行流体流动数值模拟建立流场模型的基础前提，网格的划分是流动控制方程数值离散的基础，是实现湍流数值模拟的关键技术之一，直接决定解析的敛散性和结果的精度，所以应加大叶轮网格生产技术的研发投入。另外边界条件的设置在水泵内部流场模拟中十分重要，进、出口边界条件以及周期性边界条件都是计算域时所需要的边界条件。利用CFD计算流体力学，对离心泵内部流场进行分析和研究，对认识和掌握离心泵的内部流动规律，对离心泵的设计工作是非常重要的。该项研究内容在泵行业具有非常大的发展前景，但该项研究内容又是一个非常复杂的研究工作，因此要对CFD技术有一个正确的认识，要合理、合格的进行科研人员的组合。另外CFD技术是一项设计到多个领域的技术，所以要想在水泵的研发过程中充分发挥CFD技术的优势作用，还必须考虑到综合因素，更多的理论结合实验，将CFD数值模拟与实验、理论有机结合起来，这样才能理想而有效的解决问题。 　

4 水泵改进的主体思想 　　

水泵的研发目的主要是降低成本，提高泵效，延长泵的使用寿命，最大化的减低能源浪费，适应国家提倡的节能减排的主体思路。虽然近些年来，我国自己生产的水泵已经取得了很大的成就，基本上占领了国内市场，但是相比于国外较为先进的水泵，我国自主生产的水泵在国际市场上的份额很低，即使国外生产的水泵成本较高，价格较高，但是国外市场更愿意选择那些水泵产品，究其原因，就是因为国外生产的水泵具有更为先进的技术含量，泵效和使用寿命跟高。所以我国在自主研发水泵产品时，应该奔着自主意识、灵活意识、高质量材质、高技术含量等这些方向作为主体研发思路，才能在水泵的研发设计上达到甚至领先世界先进水平