基本信息
- 项目名称：
- 高效节水变量喷洒喷灌机组研究开发
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 高效节水变量喷洒喷灌机组主要应用于农业节水灌溉，提高用水效率，降低能耗，缓解水资源供缺矛盾。产品主要组成部件包括：变量喷洒隙控式全射流喷头、喷灌机组配套用射流式自吸喷灌泵。 喷灌机组采用水射流技术，变量喷洒隙控式全射流喷头为利用水流的附壁效应改变射流方向的旋转式喷头，自吸喷灌泵进口处增设自循环射流器，使该射流器与压水室第六断面的回流孔贯通形成自循环，降低自吸时间并提高泵的效率。机组具有结构简单、造价低廉、运行可靠、适于推广的优点。同时简化了工艺流程，降低生产成本,重量减轻15%～20%，效率提高3%～5%。 通过初步预算，本作品可以平均每年节省2.55亿m3灌溉用水，节省0.27～0.45万kW的能量，并每年可以为国家带来1800万元的经济效益。本作品在2009年初的抗旱中发挥了重要作用，具有十分广阔的推广应用前景。
- 详细介绍：
- 一、研究目的及思路 随着经济社会进一步发展，水资源的战略性地位越来越重要，水是一切生命的源泉，关系到人类的可持续生存。因此，发展节水灌溉是缓解我国水资源紧缺矛盾的必然趋势。 喷灌技术作为一种先进的节水灌溉技术，对世界农业的发展起到了巨大的推动作用。经过数十年的发展，我国的喷灌技术及喷灌泵等关键配套设备虽然已经取得了长足的进步，但和世界上先进国家相比，我国的喷灌喷头、灌溉泵等关键设备与技术还存在很大的差距。主要表现为：变量喷头结构较复杂,工作性能不稳定，造价高。喷灌泵外形单一，体积大，移动不便，自吸时间长、效率低、能耗高。产品相互仿制的多，自己开发的少，老产品多，新产品少，同时制造工艺水平低。仿制的产品性能越来越差，致使整个喷灌设备产品的质量难以得到保证。 喷灌机组是我国一种比较有代表性的灌溉机组，机组运动灵活，适应我国农村发展的需要，是国家支持并优先推广应用的节水灌溉设备。目前，全国保有量有60多万套，所喷灌面积占全国喷灌总面积的70%左右。但机型20多年来没有根本变化，存在机组整机配套性较差，自动化控制水平低，适应性差，使用劳动强度大等问题，急需更新换代。变量喷洒喷灌机组适应了精确灌溉的发展趋势，机组配套性好，均匀性高，适应性强，能实现低压变量喷洒等功能，是原有机组的更新换代产品。机组主要组成部件包括变量喷洒隙控式全射流喷头、喷灌机组配套用射流式自吸喷灌泵。 基本思路——调研方案制定变量喷洒理论研究产品研制性能试验研究变量喷洒机组节水和能耗分析及试验质量检验田间考核批量生产田间示范投放市场 二、创新点及先进性 作品的创新点包括： 1.研究新型压力/流量调节装置，首次与隙控式全射流喷头结合起来，开发出结构简单、造价低廉、运行可靠、适于推广的变量喷洒隙控式全射流喷头； 2.创新地改进泵结构，简化工艺流程，降低生产成本,重量减轻15%～20%； 3.通过对关键结构的优化，使泵的效率提高3%～5%，使泵自吸时间在国家标准基础上缩短10%～15%，提高汽蚀性能。 作品的先进性与优势： 变量喷洒隙控式全射流喷头与射流式自吸喷灌泵，变量喷洒隙控式全射流喷头结构简单、造价低廉、运行可靠、适于推广，射流式自吸喷灌泵结构改进与优化，新型射流式自吸喷灌泵机组通用化程度提高47%，蒸发漂移损失降低15%，喷洒均匀系数在80%以上，机组重量减轻20%以上。解决现有喷灌机组整机配套性差、喷洒均匀度低、能耗高、适应性差等问题。机组具有结构简单、造价低廉、运行可靠、适于推广的优点。 三、推广前景及应用 本产品主要应用于农业节水灌溉方面，另外，大棚种植、城市园林草坪、蔬菜种植园、花卉栽培园等需求场所都是变量喷洒喷灌机组的潜在市场。产品的推广将显著提高节水灌溉水平，推动农业持续高效地发展。我国是农业大国，目前的灌溉面积大约为426.6万hm2，每年农田用水始终保持在3200-3500亿m3,而水的利用率却很低，仅为0.45左右，发达国家为0.7，采用喷灌技术可以显著的提高水的利用率。根据《中国灌溉农业节水规划》预测，到2010年，我国喷灌总面积将由目前的120万hm2增加到366.7万hm2，2020年将达到666.7万hm2。如果我们把农业灌溉用水的利用率提高0.1，即每年可减少用水300亿m3,就可以缓解水资源供缺矛盾，这对国家的经济发展是一个巨大的贡献。 变量喷洒喷灌机组在2009年初的抗旱中发挥了重要作用，由于机组重量轻，体积小，运行可靠，效率高，且根据作物需要控制灌水量，受到了广大农民用户一致好评，具有很高的实用价值。高效节水变量喷洒喷灌机组在水资源短缺的河南，水利用率有了很大提高，减少了水资源的浪费，并达到节约能量的效果，对农民用户缓解旱情起到了很大的作用，具有十分广阔的推广应用前景。 四、效益预测 节水效益方面：引入高效节水变量喷洒喷灌机组后，喷灌均匀系数可以增加到80%以上，保守的算法假设不增加全国喷灌用水量，仅将目前的所有喷灌系统换成高效节水变量喷洒喷灌机组，本作品可以带来平均每年节省2.55亿m3灌溉用水的社会效益。 经济效益方面：随着喷灌面积的增加，喷灌机组的需求量急剧上升，而国内此类产品的研究很少，只停留在仿制国外产品的水平上，国外引入的喷灌机组产品质量较好，但价格相对高。按每年喷灌机组需求以5%的速度增加计算，目前市场上平均每台喷灌机组3000元计算，本作品开发完成后，成本比同类产品降低20%以上，每年可以为国家带来1800万元的经济效益，同时技术上可以填补国内的空白，具有良好的社会效益和经济效益。 能量效益方面：泵的效率提高3%～5%，以平均每台喷灌机组的功率为3kW计算，每年可以带来0.27～0.45万kW的能量效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 研究目的：喷灌机组是我国一种比较有代表性的灌溉机组，是国家支持并优先推广应用的节水灌溉设备。目前产品存在很多问题，急需更新换代。变量喷洒喷灌机组适应了精确灌溉的发展趋势，是原有机组的更新换代产品。机组主要组成部件包括：1.变量喷洒隙控式全射流喷头；2.喷灌机组配套用新型射流式自吸喷灌泵。 基本思路：调研、方案制定、变量喷洒理论研究、产品研制、性能试验研究、变量喷洒机组节水和能耗分析及试验、质量检验、田间考核、批量生产、田间示范、投放市场 创新点及技术关键： 1.研究新型压力/流量调节装置，首次与隙控式全射流喷头结合起来，开发出结构简单、造价低廉、运行可靠、适于推广的变量喷洒隙控式全射流喷头；2.在理论研究和试验的基础上，优化喷头结构，建立变量喷洒喷头设计方法；3.泵结构采用压铸技术，简化工艺流程，降低生产成本,重量减轻15%～20%；4.自吸喷灌泵完成自吸工作后射流器系统自动关闭，使泵的效率提高3%～5%；5.泵自吸时间在国家标准基础上缩短10%～15%，提高汽蚀性能。 主要技术指标水平： 1.开发出结构简单、运行可靠的压力/流量调节装置，以及世界首创的变量喷洒隙控式全射流喷头；2.变量喷洒喷头实现三角形、正方形域喷洒，喷灌均匀性大于80%；3.提出并完善实用的射流式自吸喷灌泵的设计理论与方法；4.型号为50SPG28-2.2D新型射流式自吸喷灌泵效率相对国家标准提高3%，重量降低15%。
科学性、先进性
- 我国喷灌机组技术上存在的问题： 1.驱动功率大、能耗高，喷灌均匀度偏低。机组整机配套性较差，适应性差，使用劳动强度大；2.喷灌泵外形单一，移动不便；3.变量喷洒喷头类型、实现方法和功能上都比国外单调。 变量喷洒喷灌机组在解决以上问题的同时，正好符合了喷灌技术的发展方向--精确灌溉技术，即实现低能耗精确灌溉和变量精确灌溉。变量施水精确灌溉的核心之一是根据地块形状或喷洒区域形状变化的要求实现变量施水,可通过单喷头变量施水技术、多喷头组合变量施水技术来实现。 科学性先进性： 1.变量喷洒隙控式全射流喷头。隙控式全射流喷头利用水流的附壁效应改变射流方向，它既是喷洒作业的喷头出口零件，又是自控完成喷头旋转的控制零件； 2.新型射流式自吸喷灌泵。泵的进口处增设一个带“文氏管”的自循环射流器，当泵运转时，不仅可以完成自吸过程，而且可以将自循环射流器上的阀自动关闭，射流器同时停止工作，泵的效率提高3%～5%。解决了现有喷灌机组整机配套性差、喷洒均匀度低、能耗高、适应性差等问题。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 实物、产品，录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点优势：结构简单、造价低廉、运行可靠、适于推广。机组通用化程度提高47%，蒸发漂移损失降低15%，喷洒均匀系数在80%以上，机组重量减轻20%。 已获国家发明专利2项，申请了国际发明专利1项、国家发明专利8项，具有自主知识产权。 适应范围推广前景：主要应用于农业节水灌溉方面，另外，大棚种植、城市园林草坪、蔬菜种植园、花卉栽培园等需求场所都是潜在市场。 市场分析和经济效益预测——节水效益方面：保守的算法假设不增加全国喷灌用水量，仅将目前的所有喷灌系统换成高效节水变量喷洒喷灌机组，本作品可以带来平均每年节省2.55亿m3灌溉用水的社会效益；经济效益方面：按每年喷灌机组需求以5%的速度增加计算，本作品开发完成后，每年可以为国家带来1800万元的经济效益；能量效益方面：泵的效率提高3%～5%，以平均每台喷灌机组的功率为3kW计算，每年可以带来0.27～0.45万kW的能量效益。 本产品在2009年初的抗旱中发挥了重要作用，具有十分广阔的推广应用前景。
同类课题研究水平概述
- 喷灌技术对世界农业的发展起到了巨大的推动作用。经过数十年的发展，我国的喷灌技术及喷灌泵等关键设备已经取得了长足的进步，但和先进国家相比，关键设备与技术还存在很大差距。主要表现为： 1.变量喷头结构较复杂,工作性能不稳定，造价高。 2.目前国内轻小型喷灌机组关键技术和制造水平与世界同类产品相比，仍存在着很大差距，很少形成自主知识产权。一些轻小型喷灌机组驱动功率大、能耗高，喷灌均匀度偏低。机组整机配套性较差，自动化控制水平低，适应性差，使用劳动强度大，机组没有与其它灌水技术联合实现多用途使用的功能。 3.喷灌泵外形单一，体积大，移动不便，自吸时间长、效率低、能耗高。 国外早在20世纪20年代就开始研究变量喷洒喷头，如Benjam in(1981)蜗轮蜗杆传动结构的叶轮驱动式变量喷头、Edwin(1982)仿形凸轮传动结构的地埋式变量喷头、Ohayon (2000)柱塞传动结构的摇臂式变量喷头。我国于90年代开始研究变量喷洒，如王正中等(2000)上下过水节结构的摇臂式变量喷头、王飞等(2001)中空万向节结构的摇臂式变量喷头、郝培业等(2001)蝶阀式、挡板式和遮孔式3种结构的摇臂式变量喷头、冯浩等(2002) 独立阻水片结构的摇臂式变量喷头、韩文霆(2004, 2005) 静片式、内槽凸轮式和齿轮转盘式3种结构的摇臂式变量喷头。由于我国变量喷洒喷头的研究时间短，在喷头类型、实现方法和功能上都比国外单调。例如国外实现了仿形喷洒的喷头有叶轮式喷头、摇臂式喷头、反作用式喷头以及地埋式喷头等等,而我国目前只有在摇臂式喷头上研究了其实现方法。因此，研制出结构简单、运行可靠、品种多样的变量喷洒喷头有重要的学术意义和实用价值。 代表当今世界喷灌机组先进制造技术水平的公司是澳大利亚的Southern Cross公司、奥地利的Bauer公司等。我国喷灌机组是20世纪70年代中期由国家组织、联合攻关研制的。目前，全国保有量达60多万台套，机组喷灌面积占全国喷灌面积的70%左右，其机型20多年来没有多大变化，急需更新换代。 随着国家农业产业结构调整，农业个体承包制的深入发展，对灌水技术又有了新的要求。随着世界人口的增长和能源、水源危机的加剧，变量喷洒喷灌机组正朝着低压喷洒、降低能耗、精准灌溉、性能可靠、多种用途、系列成套、自动化程度高的方向稳步发展。
