压载水专用全自动反冲洗卧式过滤器结构设计

李养良，李镜明，赵继亮，刘良文

（1.九江学院机械与材料工程学院 江西九江 332005；2.中船九江科技研发中心 江西九江 332000）

压载水专用全自动反冲洗卧式过滤器结构设计

李养良1，李镜明1，赵继亮2，刘良文1

（1.九江学院机械与材料工程学院 江西九江 332005；2.中船九江科技研发中心 江西九江 332000）

0 引言

在船舶航行过程中加装的水及其悬浮物称为船舶压载水，主要用于控制船舶在空载情况下的稳定性。压载水的危害主要包括以下3个方面：生态影响、健康影响和经济影响。因此，为了加强管理船舶压载水的排放，国际海事组织IMO为此专门制定相关法规来约束。我国作为航业大国、IMO A类理事国及公约当事国之一，必须拥有一套自主知识产权的压载水处理技术。因此，发展本国的船舶压载水处理技术，拥有一套具有完全自主知识产权和具备国际领先水平的船舶压载水处理系统有非常重要的意义［1-3］。

在综合分析和比较国内外现有的船舶压载水处理系统中压载水过滤技术的前提下，提出一种安全、高效、经济、环保的处理方法，希望能够为船舶压载水处理技术方面提供一些相关的支持和探索。

1 全自动反冲洗过滤器结构

1.1 反冲洗过滤器技术参数

表1为过滤器设计的技术参数，处理流量为300 m3／h，当海水过滤介质通过该过滤器后，介质中大于50μm的颗粒和生物体被滤网截止，随着过滤的继续进行，滤网上的过滤杂质会慢慢积累形成滤饼，为了防止滤饼增厚影响滤网的过滤效能，设计通过在进出口设定压差传感器，当压差传感器的压差在0.48 k Pa时，过滤自动进行反冲洗自动压差在0.48 kPa以下，当压差达到0.6 k Pa时，发出报警信号，从而保证过滤器的安全。

表1 过滤器设计的技术参数

1.2 反冲洗过滤器结构

过滤器结构如图1所示，主要由反冲洗结构、滤网、筒体、丝杆驱动机构等部件组成。过滤器实现双级过滤功能，由2个过滤室组成，一级过滤室由粗滤网构成，二级过滤室由细滤网及排污装置组成。吸嘴在其轴线上按一定距离均布着若干个吸污管，吸污轴与排污腔相通。排污阀设置在排污腔外，在进出管口分别装有压力传感器用来监控压差，把压差信号传入PLC控制器中分析，若达到压差反冲洗设定值0.48k Pa，则排污阀打开，在排污阀打开时，过滤器内部水压与外部大气之间形成的压差使吸嘴产生强劲吸力，高速的水流将杂质携入排污管，通过排污阀排出。吸嘴由一个连有丝杆螺母装置机构的双向电机驱动，按照固定的转速作螺旋式的运动，这样几个吸嘴就能吸遍整个滤网内表面。螺旋机构运动达到设定值20 s后，排污阀关闭，从而完整地完成一次反冲洗过程，但压差设定值达到0.48 k Pa吸嘴却为进行反冲洗时，压差会继续变大，当压差值增加到0.6 k Pa时，控制系统就会接通警报电路，从而保证过滤器的安全运行，如此循环即可达到设计要求［4-6］。

图1 反冲洗结构过滤器结构

2 反冲洗过滤器结构设计

压载水专用反冲洗过滤器主要由粗细滤芯、筒体、吸污轴、封头、压载水进出口、排污阀、丝杠螺旋机构及其驱动装置等部件组成［7-8］。

2.1 过滤器滤芯的选型与设计

滤材采用的是316L不锈钢，该材料有耐腐蚀、机械强度大、化学性质稳定和造价经济实惠等优点。为实现50μm的过滤精度，滤网目数为80× 400，不锈钢丝编织滤网。

2.1.1 有效过滤面积A的确定

有效过滤面积为：

Q为过滤器的设计流量滤面积；v为过滤速度；f为滤网的净面积系数。设计中，Q取值为300 m3／s，v的取值为1.5 m／s，f的取值为0.07，计算得

2.2 过滤器筒体的设计

筒体厚度为：

pc是计算压力，取值为110 MPa，Di是筒体内径，取值为400 mm；［σ］t是许用应力，取值为118 MPa，p为筒体设计压力，取值为1.1 MPa；φ焊接接头系数，取值为0.85。将各值带入式（5）得δ＝2.2 mm，对于低合金钢制的容器规定腐蚀余量应不小于3 mm，所以取名义厚度为6.0 mm。

2.3 筒体的强度校核

根据圆筒筒壁应力校核公式可得水压试验时的应力为：

因此筒体厚度满足水压试验时强度要求。

2.4 吸污轴结构的确定

外径为：

J为转动惯量，α为角加速度，通过Pro／E对其三维建模可估算其质量属性m＝8.12 kg，r＝60 mm，J＝14 616 kg·m2；Δt为启动时间，一般为2～3 s，在此取2 s，ω＝πn／30，n＝27 r／min，所以α＝1.41 rad／s2计算得T2＝20 663 N·mm。

2.4.2 负载扭矩和摩擦力矩计算

通过CFD软件对吸嘴在流场中的受力分析，可知排污轴在反清洗运转时受到的流体作用的负载扭矩T1＝80 N·mm，相比惯性力矩太小可忽略不计。在运转时还受到支撑部位的摩擦力，因设计采用机械轴封摩擦力很小可忽略不计，因此总扭矩T＝20 663 N·mm，代入式（12）得：

d＝24.26 mm＜60 mm，符合设计要求。

3 反冲洗机构建模与仿真

依据反冲洗机构的结构形式，应用Pro／E对其虚拟样机建模和利用Matlab／Simulink中的Sim-Mechanics工具箱对其进行运动学仿真，检测吸嘴在滤网上轨迹曲线，验证机构设计的合理性。

3.1 基于SImmECHANICS机构仿真

参数设定好后就可进行仿真。根据反冲洗时间将“Simulation Stop time”设置为20 s。单击运行即可看到图2过滤器三维动画仿真过程图。

刚体B1的轴向位移、轴向速度变化曲线如图3所示，角速度的单位为rad／s，角加速度的单位为rad／s2。从图3中可以看出B1的轴向位移在20 s内是90 mm，速度为4.5 mm／s完全符合设计的要求。

图2 运动仿真过程

图3 刚体B1运动参数

刚体B2的角速度变化如图4所示，从图中可以看出，刚体B2处的角速度不发生变化，属于匀速转动，末端执行器的运动轨迹如图5所示。末端轨迹线为螺旋曲线，末端位移为170 mm，从图5可以看出，符合吸嘴设计的运动轨迹，从而进一步说明了螺旋丝杆机构设计的合理性。

图4 杆件B2角速度

图5 吸嘴运动轨迹

3.2 设计虚拟样机

结合Sim Mechanics螺旋丝杆运动学仿真结果，利用Creo2.0三维设计软件对过滤器进行三维模型设计，3D虚拟样机如图6所示。

图6 3 D样机

4 滤网压损

当压载水通过多孔介质滤网层时，其流速和压降成线性关系，并且满足达西定律［910］。达西定律是由法国水力学家达西在1852～1855年通过大量实验得出的，则该流动可表述为：

将数据带入，可计算得滤网内外表面的压差ΔP 1为0.011 MPa。

5 过滤器流场仿真

应用Gambit 2.3.16建立过滤器内流体流场的三维模型，边界条件入口inlet类型为VELOCITY_ INLET，出口OUTLET类型为OUTFLOW。经过fluent求解器反复迭代计算后得到其Z＝0平面速度矢量图7和压力云图8，从图7中可以看出，进水口垂直对面的地方压力最高，中部压力最小。

图7 Z＝0平面压力云图

图8 Z＝0平面速度矢量图

从图8的速度分布图上可以看出流体在从入口进入后，速度方向发生了变化，速度值也逐渐减小。流体刚进入过滤器时，由于速度值较大，入口处的压力值相对较低，当流体到达最顶端，流体速度和方向变化最大，所以该处的压力值就最大。当流体在过滤器内往两边旋转后，速度值比较稳定，当碰到两端面时，速度和方向又发生很大的波动，因此过滤器的左上部分和右上部分的压力比较集中。

通过Fluent流体仿真软件计算得进出口压差p2＝4.8 kPa，因此过滤器内总体压损p＝p1＋p2＝0.158 k Pa；设计要求的压损最大值为0.38 k Pa，因而压损值完全符合设计要求。

6 结束语

确定过滤器总体反冲洗过滤方案为吮吸式自动反冲洗。过滤器由粗滤网、细滤网、排污阀、反冲洗机构等组成，反冲洗机构由吸嘴、排污轴、丝杆、螺套、导套、蜗轮蜗杆箱等零部件组成。对过滤器内的流场和压损仿真，通过达西流体理论公式计算滤网的压损，在应用流体仿真软件对过滤器筒体内的流场进行速度场仿真，理论分析和压损仿真表明，设计的过滤器符合设计要求。

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［3］ 吴春杰，杨玉峰，俞健康.浅析船舶压载水的污染及对策［J］.中国水运，2007，7（4）：27- 28.

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Automatic Backwash Horizontal Filter Structure Design for Ballast Water

LI Yangliang1，LI Jingming1，ZHAO Jiliang2，LIU Liangwen2
（1.School of Mechanical and Materials Engineering，Jiujiang University，Jiujiang 332005，China；2.Jiujiang Scicence and Technoloy Developing Center of CSSC，Jiujiang 332005，China）

压载水专用设备在寸土寸金的狭小空间使用，应尽量缩小其体积，而且压载水的排放标准极其苛刻，对过滤器的功能有更高的要求。提出了采用卧式自动反冲洗过滤器的构思，确定反冲洗结构方案，设计过滤器的滤网、筒体和反冲洗部件，通过Matlab机构运动学分析软件对吸嘴在滤网上的运动进行分析，在此基础上应用Pro／E对其三维建模，并对滤筒内的流场进行压损分析，通过相关实验，验证了设计的合理性，为该类产品设计提供参考依据。

船舶压载水；过滤；结构设计；仿真

Ballast water special equipment should be considered in the limited use case of dealing with the high cost of land.The volume should be reduced，and ballast water discharge standard is strict，having higher requirements on the function of the filter.This paper proposes a concept using horizontal automatic backwash filter.The design identified backwash structure plan and created a detailed design of the filter screen，filter cylinder and the backwash components.Matlab institution simulation motion analysis software is used to analyze the movement of the nozzle on the filter applied on this basis.On this basis，Pro／ E is used for three- dimensional modeling.The flow field and cartridge pressure loss within the cylinder is also analyzed.This paper proposes using horizontal automatic backwash filter conception.

ballast water；filter；structural design；simulation

TH122

A

1001- 2257（2015）08- 0022- 04

李养良 （1966－），男，江西九江人，硕士，教授，研究方向为机械设计及材料表面改性研究。

2015-04-20

江西省教_育厅_2012年、2013年教改项目（JXJG- 12- 17-18、JXJG-13-17-7）、九江学院2013年校级科研项目（2013ZD07）；江西省首批“卓越工程师教育培养计划”实施成果“赣财教2011［244］号”。