自旋流刷洗式地表水處理過濾器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 超,胡 斌,王佳萍,潘 峰,范文波,何浩猛

(石河子大學(xué) a.機(jī)械電氣工程學(xué)院 ;b.水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆屬干旱內(nèi)陸氣候區(qū),降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,水資源嚴(yán)重短缺,水資源消耗主要來自農(nóng)業(yè),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須依靠灌溉[1]。水資源一直是制約新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[2-3],合理開發(fā)和利用水資源實(shí)施節(jié)水灌溉舉措,可帶動社會生產(chǎn)朝可持續(xù)方向發(fā)展[4]。從目前我國推廣應(yīng)用的一些節(jié)水灌溉技術(shù)的效果看,低壓管道輸水灌溉可節(jié)水20%～30%,噴灌可節(jié)水40%～50%,滴灌可節(jié)水70%～80%[5]。隨著世界淡水資源的日益短缺,滴灌技術(shù)的推廣已成為各國解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水資源短缺矛盾的重要途徑[6-7]。為了防止堵塞,滴灌系統(tǒng)首部需要設(shè)置過濾器,其工作性能將影響整個(gè)灌溉系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)[8]。因此,對滴灌系統(tǒng)中過濾器的研制及過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化,更進(jìn)一步解決滴灌堵塞問題,對推動節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展有重大作用[9-10]。

目前,滴灌系統(tǒng)中常見的網(wǎng)式過濾器分為兩種,即封閉式和開放式[11]。對于河渠水、庫塘水等物理性雜質(zhì)污染嚴(yán)重的地表水,封閉式濾網(wǎng)自清洗過濾器存在濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重、自清洗頻繁、濾網(wǎng)堵塞后清洗困難等問題[12]。開放式臥式滾筒反沖洗過濾器存在清堵不及時(shí)、供水間斷、能耗大[13];開放立式筒網(wǎng)反沖洗過濾器由于濾網(wǎng)內(nèi)外壓差小,導(dǎo)致過濾器出現(xiàn)反沖洗效果差、反沖洗頻繁能耗提高及濾網(wǎng)雜物堵塞等問題[14]。不管封閉式濾網(wǎng)自清洗過濾器還是開放式濾網(wǎng)自清洗過濾器,在含有粘性和纖維物質(zhì)的水質(zhì)條件下,都存在自清洗頻繁、濾網(wǎng)堵塞、能耗較高、供水間斷等缺點(diǎn),導(dǎo)致自清洗網(wǎng)式過濾器使用效果不佳,灌溉效率急劇下降,影響了灌溉系統(tǒng)的正常運(yùn)行[15-16]。在進(jìn)行充分調(diào)研后,對灌溉水源的雜質(zhì)、各種過濾器的機(jī)理和主要耗能原因進(jìn)行分析,提出了一種基于濾網(wǎng)的“水力旋流驅(qū)動+刷洗”的過濾方案,以解決網(wǎng)式過濾器能量損耗的問題,并設(shè)計(jì)研發(fā)了自旋流刷洗式地表水處理過濾器。

1 結(jié)構(gòu)與原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的地表水處理過濾器,一般使用電機(jī)驅(qū)動的過濾器,在田地很容易丟失,若要做遮蓋防水,大大提高了成本;而用水力驅(qū)動代替電力驅(qū)動,能夠提高防盜系數(shù)、安全系數(shù),且能夠降低成本。

過濾系統(tǒng)運(yùn)行過程中,過濾和刷洗同時(shí)進(jìn)行,泵后水的部分有壓水由連接進(jìn)水管流入到自旋流泵,如圖1所示。工作時(shí),安裝在自旋流泵上水動力葉輪在水流的沖擊作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,并帶動中心軸做同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,經(jīng)減速器調(diào)節(jié)后帶動刷洗裝置圍繞圓筒濾網(wǎng)旋轉(zhuǎn),刷洗裝置將附著在濾網(wǎng)上的雜質(zhì)刷洗掉,經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后的水由出水口流入水泵中進(jìn)水田間。本文的研究對象為流量300m3/h、過濾精度100目的灌溉系統(tǒng),根據(jù)以上的參數(shù)來完成本次自旋流刷洗式地表水處理過濾器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.自旋流泵 2.刷洗臂 3.圓筒濾網(wǎng) 4.機(jī)架 5.出水口 6.刷洗裝置

過濾器中自旋流泵是將整個(gè)過濾系統(tǒng)中泵后水的動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的驅(qū)動裝置,是一種葉片式流體機(jī)械。工作時(shí),裝有葉輪的轉(zhuǎn)子做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,流體流經(jīng)葉輪之間通道時(shí),葉輪與流體之間產(chǎn)生力的相互作用,借以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。泵前池過濾器如圖2所示。圖2中,當(dāng)水泵啟動后,泵前池中待過濾的水由自旋流刷洗式過濾器的圓筒濾網(wǎng)中進(jìn)入到過濾器內(nèi)部,然后從出水口流入水泵進(jìn)入灌溉系統(tǒng)。

1.自旋流刷洗式過濾器 2.鋼絲軟管 3.逆止閥 4.管道 5.水泵引水接口 6.水泵

1.2 傳動機(jī)構(gòu)的工作原理

自旋流刷洗系統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)(見圖3)位于過濾器濾網(wǎng)的上方,在工作過程中在水面線以上;水進(jìn)入自旋流泵中,泵中的葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生扭矩經(jīng)減速器傳遞給刷洗臂,再由刷洗裝置進(jìn)行刷洗濾網(wǎng)。設(shè)計(jì)中,傳動機(jī)構(gòu)在豎直方向有兩個(gè)傳動軸:一個(gè)是在過濾器中心處的豎直軸,另一個(gè)是自旋流泵中的傳動軸。

1.傳動軸 2.直齒圓柱齒輪 3.刷洗裝置 4.圓筒濾網(wǎng) 5.豎直旋轉(zhuǎn)軸 6.直齒圓柱齒輪 7.自旋流泵

刷洗過程中,泵前池中含有雜質(zhì)的水做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,可以起到離心沉降的作用。對于兩相密度相差較小、顆粒粒度較細(xì)的非均相物系,難以通過重力沉降分離甚至完全不能分離時(shí),使用離心沉降可增加沉降速度。工作原理為:當(dāng)流體和雜質(zhì)顆粒一起旋轉(zhuǎn)時(shí),在離心力的作用下,由于顆粒密度大于流體密度,將使顆粒沿經(jīng)向與流體產(chǎn)生相對作用,從而實(shí)現(xiàn)分離。在刷洗裝置旋轉(zhuǎn)期間,流體做圓周運(yùn)動,如圖4所示。

圖4 雜質(zhì)顆粒在旋轉(zhuǎn)流體中的運(yùn)動

離心沉降速度計(jì)算公式為

式中d—雜質(zhì)顆粒直徑(m);

ρs—雜質(zhì)顆粒密度(kg/m3);

ρ—流體密度(kg/m3);

R—雜質(zhì)顆粒距離中心軸的距離(m);

uT—切向速度(m);

K—阻力系數(shù)(m)。

2 自旋流泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

過濾系統(tǒng)運(yùn)行過程中,過濾和刷洗同時(shí)進(jìn)行,自旋流泵的結(jié)構(gòu)如圖5所示。泵后水的部分有壓水由連接進(jìn)水管流入到自旋流泵進(jìn)水噴嘴,安裝在自旋流泵上的水動力葉輪在水流的沖擊作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,并帶動中心軸做同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,帶動刷洗裝置圍繞圓筒濾網(wǎng)旋轉(zhuǎn)。

1.自旋流泵上殼體 2.水動力葉輪 3.自旋流泵下殼體 4.軸承 5.中軸 6.套筒 7.密封環(huán) 8.螺母

自旋流泵的水動力葉輪是自旋流泵中將水的動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部件,是自旋流泵所有部件中最重要的一個(gè),其受力情況如圖6所示。水動力葉輪主要由軸孔、擋水圓盤、葉片組成,將葉片垂直固定在擋水圓盤上,其作用是當(dāng)水射流沖擊葉片時(shí)擋水圓盤能夠有效地將沖擊后的水向上方運(yùn)動起到導(dǎo)流的作用,使水流有向上的流動趨勢。

由圖6可得

式中V0—進(jìn)水噴嘴射流速度(m/s);

kv—射流速度系數(shù),一般kv=0.97～0.98;

g—重力加速度(m/s2);

H—水頭(m);

Q—進(jìn)水噴嘴流量(m/s);

d0—射流直徑(m);

H—自旋流泵的設(shè)計(jì)水頭(m)。

自旋流泵葉片受力分析如圖7所示。

圖7 自旋流泵葉片受力分析

在力學(xué)中,動量矩定理表示為單位時(shí)間內(nèi)物體的動量矩對旋轉(zhuǎn)軸的變化,等于作用于物體的所有外力作用在同一軸上的力矩之和。流體從自旋流泵的進(jìn)水噴嘴切向沖擊葉流體葉片,以速度v1在一定時(shí)間內(nèi)流入葉片的流體動量矩為

T1=r1ρQv1cosθ1

式中ρQ—流體質(zhì)量(kg/s);

v2—流體從葉片內(nèi)周流出速度(m/s);

v1—流體從葉片外周流入速度(m/s);

θ1—流體從葉片外周流入速度與圓周切線方向夾角(°)。

一定時(shí)間內(nèi)流出葉片的流體動量矩為

T1=r2ρv2cosθ2

式中ρQ—流體質(zhì)量(kg/s);

r2—葉片內(nèi)周半徑(m/s);

r1—葉片外周半徑(m/s);

θ2—流體從葉片內(nèi)周流出速度與圓周切線方向夾角(°)。

流體從葉片外周流入速度與圓周切線方向夾角為0°,流體從葉片內(nèi)周流出速度與圓周切線方向夾角為0°,則

∑T'=r2ρQv2-r1ρQv1

式中 ΣT′—作用在水流上的所有外力對轉(zhuǎn)軸力矩之和(N·m)。

流體對自旋流泵葉片的作用力所產(chǎn)生的力矩T與ΣT′大小相等且方向相反,則

∑T=ρQv1r1-r2ρQv2

式中T—流體作用在自旋流泵葉片的力矩(N)。

3 性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件及指標(biāo)

為了驗(yàn)證自旋流刷洗式地表水處理過濾實(shí)際使用情況,測量自旋流泵在實(shí)際工作狀態(tài)下的水動力性能、水動力葉輪片數(shù)、進(jìn)水角度及進(jìn)水噴嘴尺寸對雜志處理效率的影響,對自旋流刷洗式地表水處理過濾器進(jìn)行試驗(yàn),確定過濾器中自旋流泵的工作最佳值。同時(shí),通過試驗(yàn)對自旋流泵的進(jìn)水噴嘴角度、進(jìn)水噴嘴尺寸及水動力葉輪葉片數(shù)3個(gè)因素的變化,確定對過濾器的雜質(zhì)處理效率的影響[17-18]。

試驗(yàn)地點(diǎn)在石河子市石達(dá)賽特公司過濾器生產(chǎn)車間。雜質(zhì)處理效率是過濾器的清除水中雜質(zhì)效果的性能指標(biāo),即試驗(yàn)前后水中雜質(zhì)含量之差與試驗(yàn)前雜質(zhì)含量的比值,則

式中η—雜質(zhì)處理效率(%);

mq—過濾前的雜質(zhì)含量(g);

mh—過濾后的雜質(zhì)含量(g)。

過濾器處理的效果可以通過對比過濾前與過濾后水的雜質(zhì)多少來判斷。蓄水池中的隔板的左側(cè)為濾前水,右側(cè)為濾后水,如圖8所示。將準(zhǔn)備好的兩個(gè)5L燒杯分別放入濾前和濾后水中,盛滿5L,進(jìn)行過濾操作;將濾紙放入漏斗中放置在鐵架臺上,兩個(gè)燒杯中的水分別過濾晾干稱重,用含有雜質(zhì)的干燥濾紙的質(zhì)量減去濾紙質(zhì)量等于雜質(zhì)質(zhì)量。

1.自旋流泵 2.減速器 3.機(jī)架 4.圓筒濾網(wǎng) 5.蓄水池 6.水泵

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

因過濾過程中存在影響雜質(zhì)處理效果的非線性因素,試驗(yàn)采用響應(yīng)曲面法,分析自旋流泵的進(jìn)水角度、自旋流泵的進(jìn)水噴嘴尺寸、自旋流泵的水動力葉輪葉片數(shù)為影響雜質(zhì)處理效率的重要因素。取自旋流泵的進(jìn)水噴嘴角度為75°、90°、105°,自旋流泵的進(jìn)水噴嘴尺寸5、10、15mm,自旋流泵的水動力葉輪葉片數(shù)為10、13、16片。為了便于數(shù)據(jù)分析,將3個(gè)因素分別用A、B、C表示,雜質(zhì)處理效率作為評價(jià)指標(biāo),用Y表示。各因素水平編碼如表1所示,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素水平

表2 試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

應(yīng)用軟件Design Expert探究顯著性因素結(jié)果與雜質(zhì)處理率的關(guān)系,得出回歸系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。自旋流刷洗式地表水處理過濾器的雜質(zhì)處理效率回歸方程為

Y=88.14-0.16A+0.83B-1.04C+1.01AB+

0.027AC-0.16BC-2.86A2-7.40B2-7.72C2

由顯著性分析可知:進(jìn)水噴嘴角度對自旋流刷洗式地表水處理過濾器的雜質(zhì)處理效率有顯著性影響,A2、B2、C2均為極顯著。模型的顯著檢驗(yàn)F=125.70,P值小于0.0001,表明回歸方程的檢驗(yàn)達(dá)到高度顯著;失擬性檢驗(yàn)F=3.55,P值為0.1261大于0.1為不顯著。所以,在試驗(yàn)范圍內(nèi)模型擬合得好,可以用此模型對自旋流刷洗式地表水處理過濾器的雜質(zhì)處理效率進(jìn)行分析和預(yù)測。

表3 顯著性檢驗(yàn)

3.4 結(jié)果分析與參數(shù)優(yōu)化

圖9為各因素兩兩交互作用對雜質(zhì)處理效率的響應(yīng)曲面效果圖,AB、BC、AC均為顯著。

圖9 各因素對雜質(zhì)處理效率的影響

由圖9 (a)可知:當(dāng)進(jìn)水噴嘴角度不變時(shí),雜質(zhì)處理效率隨著進(jìn)水噴嘴尺寸和水動力葉輪葉片的增加先增大后減小,其峰值為雜質(zhì)處理效率的最佳值。由圖9 (b)可知:當(dāng)水動力葉輪葉片數(shù)不變時(shí),雜質(zhì)處理效率隨著進(jìn)水噴嘴角度和進(jìn)水噴嘴尺寸的增大到一定值時(shí),雜質(zhì)處理效率隨著進(jìn)水噴嘴角度和進(jìn)水噴嘴尺寸的增大漸漸減小,其值為雜質(zhì)處理效率的最佳值。由圖9 (c)可知:當(dāng)進(jìn)水噴嘴尺寸不變時(shí),雜質(zhì)處理效率隨著進(jìn)水噴嘴角度和水動力葉輪葉片數(shù)的增大而增大;當(dāng)達(dá)到某個(gè)值時(shí)發(fā)生變化,雜質(zhì)處理效率趨于下降。由圖9可知:過濾器雜質(zhì)處理效率是由進(jìn)水噴嘴尺寸、進(jìn)水噴嘴角度及水動力葉輪葉片數(shù)共同決定的,在保證雜質(zhì)處理率最高時(shí),應(yīng)當(dāng)綜合考慮選擇合理的進(jìn)水噴嘴尺寸、進(jìn)水噴嘴角度、水動力葉輪葉片數(shù)3個(gè)因素的值。

對優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,按照預(yù)測數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如表4所示。為了方便機(jī)械的加工,選取水動力葉輪葉片數(shù)為13片、進(jìn)水噴嘴尺寸10mm、進(jìn)水噴嘴角度100°,試驗(yàn)進(jìn)行3次,結(jié)果取3次平均值,最后得到自旋流刷洗式地表水處理過濾器的處理效率為83.32%,與預(yù)測值相差2.19%。預(yù)測值與試驗(yàn)的結(jié)果相近,驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確度。

表4 優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際值對比

4 結(jié)論

1)對自旋流刷洗式地表水處理過濾器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作原理進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)說明。對過濾器對傳動系統(tǒng)、自旋流泵關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行力學(xué)分析,確定過濾器關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)。對過濾器的刷洗原理進(jìn)行理論說明,確定了“水力旋流驅(qū)動+刷洗裝置”的清洗方案。

2)通過使用Design-Expert,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,對響應(yīng)值過濾器的雜質(zhì)處理效率尋找最優(yōu)值,得出的最佳雜質(zhì)處理效率條件為:水動力葉輪葉片數(shù)13片,進(jìn)水噴嘴尺寸10 mm,進(jìn)水噴嘴角度100°。

3)通過自旋流刷洗式地表水處理過濾器的性能試驗(yàn),找出了影響試驗(yàn)性能的因素,為提高過濾器性能提供了理論依據(jù)。