微灌用筒式反沖洗過濾器結構設計與研究

岳飛龍， 羅 昕， 馬富裕， 唐 思， 姜有忠， 李海潮

(石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832000)

新疆維吾爾自治區位于內陸干旱區，水資源短缺尤為嚴重，農業灌溉用水以含沙量較高的地表水為主，且地表水的污染現象日益嚴重，水源中混雜了沙粒、泥土、植物殘枝、礦物碎屑、塑料碎片等物理性污染物及細菌、真菌等生長產生的黏性分泌物等有機物性污染物。因此，對灌溉水源進行分離過濾是發展農業節水灌溉的先決條件。

過濾器作為對水源中的泥沙等雜質進行攔截過濾的關鍵設備，其過濾效果、運行的可靠性和工作的持續性是整個微灌系統高效運行的保障。目前新疆地區的微灌系統中主要使用網式自清洗過濾器。依據自清洗方式的不同可將網式自清洗過濾器分為吸污式和反沖洗式2種[1-2]。例如Hermans等研發了一種自動反沖洗過濾器和自清洗連續過濾系統[3-4]，李亞雄等利用河(渠)水作為灌溉水源，設計了一種自動清洗河(渠)水網式過濾器[5]，李強強等設計了一種臥式自清洗網式過濾器[6]，劉建華等研制了一種利用水力驅動完成自動清洗的水力驅動全自動過濾器[7]，劉飛等設計生產了一種自吸附反沖洗網式過濾器[8]，徐昭設計提出了一種移動輪流反沖洗網式過濾器[9]。

以上研究為國內的網式自清洗過濾器的發展奠定了基礎，但從現有的網式自清洗過濾器來看，都存在污水的流動方向和自清洗時的吸附力(或反沖洗水流)方向相反問題，使得自清洗時對雜質的吸附力或反沖洗效果減弱，很難將卡在濾網上的雜質去除[10]。該研究針對這一問題，設計了一種基于筒式濾網清污帶內外真空隔離技術的新型網式反沖洗過濾器。

1 筒式反沖洗過濾器的結構原理

微灌用筒式反沖洗過濾器結果見圖1所示，其整個工作過程中過濾和自清洗同步進行。

該筒式反沖洗過濾器安裝于水泵的吸水口，置于水池、河水、池塘或水庫內，且豎直懸浮在水中。過濾過程中，渾水中一些較大的雜質(主要是漂浮物)先在真空發生器9的旋轉擾動作用下分散遠離濾網，再經過圓筒濾網5過濾，這樣比濾網5網孔大的有機或無機物碎片及固體顆粒狀污物泥沙顆粒被攔截下來并積聚在濾網5的外表面，過濾后的水從濾網下端蓋7上的出水口8流入水泵。通過水泵形成的高壓水流經過空心軸進水管1、連接管6進入噴洗管4，從噴洗管4的噴口噴出，形成高穿透力的水流，對濾網5上吸附的雜質從網內向外進行清洗。電機經圓柱-圓錐二級減速器減速后帶動空心軸進水管1轉動，使真空發生器9在連接板2的帶動下和負壓隔離腔10繞空心軸進水管8同步轉動，形成相對密封的獨立空間，解決了由過濾器內外壓差造成的反沖洗不徹底的難點，同時真空發生器9的快速旋轉形成的離心力可使粘附在濾網的一部分雜質從濾網上分離；在噴洗液流與真空發生器9分撥液流的共同作用下，粘附在濾網外壁的雜質沿著真空發生器9的內壁向下沉降至過濾器底部。

該過濾器反沖洗是否徹底的關鍵是基于筒式濾網清污帶內外真空隔離技術，即圍繞筒式濾網同步旋轉的真空發生器(濾網外表面)和負壓隔離腔(濾網內表面)形成的相對密封的獨立空間，即在濾網內壁形成的不受水泵吸力作用產生負壓效應的一個“動態無壓區(負壓隔離腔)”與濾網外壁“動態真空區(真空發生器)”，實現在過濾器不停止工作的情況下，濾網內外壁水流壓力由原來的外部大于內部向內部大于外部的反轉，使流體發生了由濾網內部向濾網外部移動的趨勢，解決了反向沖洗內外壓差大導致噴洗管中噴出的水流被由外向內水流沖洗力“逆向減弱”的難題。

2 筒式反沖洗過濾器參數的設定

2.1 過濾器濾網尺寸與設計流量的關系

過濾器的設計流量與濾網過濾速度、實際過濾面積以及濾網凈面積系數的關系：

Q=3.6×103f·A·v；
A=πDL。

(1)

式中：Q為過濾器的設計流量，m3/h；A為過濾器中濾網的實際使用面積，m2；L為筒式濾網長度，m；D為筒式濾網的直徑，m；f為濾網的凈面積系數，其大小與濾網目數有關，具體選用見表1[11-12]；v為濾網過濾速度，m/s。根據國內外常用過濾器參數規格(表1)，濾網過濾速度v對于微灌用網式過濾器一般在0.1～0.2 m/s之間，計算時選v=0.15 m/s。

表1 國內常規不銹鋼濾網規格

流量損失：Q實=Q-Q損；

(2)

將不同直徑的過濾器的實際流量控制在300 m3/h，測量不同真空發生器轉速下過濾器的實際流量，從而選擇合適的轉速范圍。

從圖3不同直徑過濾器的轉速n與流量Q的關系曲線得出，當轉速為10 r/min時，反沖洗不及時導致濾網堵塞，過濾器流量減小；當轉速為35 r/min時，真空發生器的高速旋轉隔離了污水進入過濾器，過濾器流量減小；當轉速為15～30 r/min時，過濾器流量變化平穩，過濾器運轉正常，反沖洗效果顯著。

國內常用過濾器的設計流量為200～400 m3/h，本研究過濾器的設計流量選用300 m3/h，真空發生器轉速n=25 r/min，濾網直徑D=0.5 m，濾網長度L=2D，因此L=1 m。

2.2 空心軸的直徑計算

空心軸的扭轉強度條件計算公式為

(4)

根據式(4)可得軸的計算公式：

(5)

(6)

由表2可知，空心軸的材料選用45鋼，選取[τT]為 30 MPa，A0為100。電機的額定功率P0=2.2 k；轉速n0=1 430 r/min，電機與空心軸的傳動比i=40；電機與空心軸以圓錐-圓柱齒輪減速器連接，每級齒輪的傳動效率(包括軸承效率在內)η=0.97[15]。

表2 軸常用幾種材料的[τT]值及A0值

P=P0η2；

(7)

(8)

將P=2.1 kW，n=35.75 r/min，A0=100，β=0.5代入公式(6)可得空心軸外徑的最小值為dmin=39.7 mm。

取外徑d=60 mm，則內徑d1=d×β=60×0.5=30 mm。

3 轉速對反沖洗效果的影響測試

3.1 試驗方法

將筒式反沖洗過濾器安置在3 m×3 m×2 m的水池中，并與水泵正常連接，水池中注入15 m3清水，再加入泥沙和鋸末各2.5 kg。在過濾器的電機上安裝變頻器，壓力計安裝在過濾器的出水口上，測量過濾器內部的壓力變化，電磁流量轉換計安裝在水泵的出水口，用來測量過濾器的流量變化。通過調節變頻器來改變過濾器反沖洗的頻率，即噴洗管和真空發生器的轉速，觀察過濾器運行30 min后過濾器內部壓力和流量兩大性能指標的變化，判斷過濾器的反沖洗效果。試驗設備及儀器見表3。

表3 試驗設備及儀器

3.2 真空發生器轉速與過濾器壓力的關系

對表4中的數據進行方差分析，結果見表5。

表4 過濾器壓力的測試數據

表5 方差分析結果

由表5可知，真空發生器的轉速對過濾器內部壓力變化的影響在α=0.05水平下極顯著；濾網直徑對過濾器內部壓力的影響不顯著。由此可知，真空發生器的轉速是影響過濾器內部壓力的主要因素。

4 結束語

經過計算和驗證確定了過濾器各零部件的參數，各部件強度滿足設計要求(圖4-a)。該過濾器在反沖洗環節設計上具有獨創性，采用了基于筒式濾網清污帶內外真空隔離技術，解決了反向沖洗內外壓差大導致沖洗力“逆向減弱”的缺陷，提高了過濾器的反沖洗效果。該過濾器的合理轉速為 15～30 r/min，轉速過低或過高，過濾器都無法正常工作。

該過濾器能夠進行持續反沖洗，且反沖洗與過濾同步進行，實現在反沖洗的同時不間斷供水。該過濾器為半開放式過濾器，過濾器與空氣相通，防止濾網堵塞后，因過濾器內部壓力增大而導致濾網變形。該過濾器過濾效果較好，尤其是對含有黏性和纖維物質的河水、湖水等地表水水質，能夠有效解決傳統反沖洗過濾器的濾網堵塞問題(圖4-b)。