微灌用筒式反冲洗过滤器结构设计与研究

岳飞龙， 罗 昕， 马富裕， 唐 思， 姜有忠， 李海潮

(石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000)

新疆维吾尔自治区位于内陆干旱区，水资源短缺尤为严重，农业灌溉用水以含沙量较高的地表水为主，且地表水的污染现象日益严重，水源中混杂了沙粒、泥土、植物残枝、矿物碎屑、塑料碎片等物理性污染物及细菌、真菌等生长产生的黏性分泌物等有机物性污染物。因此，对灌溉水源进行分离过滤是发展农业节水灌溉的先决条件。

过滤器作为对水源中的泥沙等杂质进行拦截过滤的关键设备，其过滤效果、运行的可靠性和工作的持续性是整个微灌系统高效运行的保障。目前新疆地区的微灌系统中主要使用网式自清洗过滤器。依据自清洗方式的不同可将网式自清洗过滤器分为吸污式和反冲洗式2种[1-2]。例如Hermans等研发了一种自动反冲洗过滤器和自清洗连续过滤系统[3-4]，李亚雄等利用河(渠)水作为灌溉水源，设计了一种自动清洗河(渠)水网式过滤器[5]，李强强等设计了一种卧式自清洗网式过滤器[6]，刘建华等研制了一种利用水力驱动完成自动清洗的水力驱动全自动过滤器[7]，刘飞等设计生产了一种自吸附反冲洗网式过滤器[8]，徐昭设计提出了一种移动轮流反冲洗网式过滤器[9]。

以上研究为国内的网式自清洗过滤器的发展奠定了基础，但从现有的网式自清洗过滤器来看，都存在污水的流动方向和自清洗时的吸附力(或反冲洗水流)方向相反问题，使得自清洗时对杂质的吸附力或反冲洗效果减弱，很难将卡在滤网上的杂质去除[10]。该研究针对这一问题，设计了一种基于筒式滤网清污带内外真空隔离技术的新型网式反冲洗过滤器。

1 筒式反冲洗过滤器的结构原理

微灌用筒式反冲洗过滤器结果见图1所示，其整个工作过程中过滤和自清洗同步进行。

该筒式反冲洗过滤器安装于水泵的吸水口，置于水池、河水、池塘或水库内，且竖直悬浮在水中。过滤过程中，浑水中一些较大的杂质(主要是漂浮物)先在真空发生器9的旋转扰动作用下分散远离滤网，再经过圆筒滤网5过滤，这样比滤网5网孔大的有机或无机物碎片及固体颗粒状污物泥沙颗粒被拦截下来并积聚在滤网5的外表面，过滤后的水从滤网下端盖7上的出水口8流入水泵。通过水泵形成的高压水流经过空心轴进水管1、连接管6进入喷洗管4，从喷洗管4的喷口喷出，形成高穿透力的水流，对滤网5上吸附的杂质从网内向外进行清洗。电机经圆柱-圆锥二级减速器减速后带动空心轴进水管1转动，使真空发生器9在连接板2的带动下和负压隔离腔10绕空心轴进水管8同步转动，形成相对密封的独立空间，解决了由过滤器内外压差造成的反冲洗不彻底的难点，同时真空发生器9的快速旋转形成的离心力可使粘附在滤网的一部分杂质从滤网上分离；在喷洗液流与真空发生器9分拨液流的共同作用下，粘附在滤网外壁的杂质沿着真空发生器9的内壁向下沉降至过滤器底部。

该过滤器反冲洗是否彻底的关键是基于筒式滤网清污带内外真空隔离技术，即围绕筒式滤网同步旋转的真空发生器(滤网外表面)和负压隔离腔(滤网内表面)形成的相对密封的独立空间，即在滤网内壁形成的不受水泵吸力作用产生负压效应的一个“动态无压区(负压隔离腔)”与滤网外壁“动态真空区(真空发生器)”，实现在过滤器不停止工作的情况下，滤网内外壁水流压力由原来的外部大于内部向内部大于外部的反转，使流体发生了由滤网内部向滤网外部移动的趋势，解决了反向冲洗内外压差大导致喷洗管中喷出的水流被由外向内水流冲洗力“逆向减弱”的难题。

2 筒式反冲洗过滤器参数的设定

2.1 过滤器滤网尺寸与设计流量的关系

过滤器的设计流量与滤网过滤速度、实际过滤面积以及滤网净面积系数的关系：

Q=3.6×103f·A·v；
A=πDL。

(1)

式中：Q为过滤器的设计流量，m3/h；A为过滤器中滤网的实际使用面积，m2；L为筒式滤网长度，m；D为筒式滤网的直径，m；f为滤网的净面积系数，其大小与滤网目数有关，具体选用见表1[11-12]；v为滤网过滤速度，m/s。根据国内外常用过滤器参数规格(表1)，滤网过滤速度v对于微灌用网式过滤器一般在0.1～0.2 m/s之间，计算时选v=0.15 m/s。

表1 国内常规不锈钢滤网规格

流量损失：Q实=Q-Q损；

(2)

将不同直径的过滤器的实际流量控制在300 m3/h，测量不同真空发生器转速下过滤器的实际流量，从而选择合适的转速范围。

从图3不同直径过滤器的转速n与流量Q的关系曲线得出，当转速为10 r/min时，反冲洗不及时导致滤网堵塞，过滤器流量减小；当转速为35 r/min时，真空发生器的高速旋转隔离了污水进入过滤器，过滤器流量减小；当转速为15～30 r/min时，过滤器流量变化平稳，过滤器运转正常，反冲洗效果显著。

国内常用过滤器的设计流量为200～400 m3/h，本研究过滤器的设计流量选用300 m3/h，真空发生器转速n=25 r/min，滤网直径D=0.5 m，滤网长度L=2D，因此L=1 m。

2.2 空心轴的直径计算

空心轴的扭转强度条件计算公式为

(4)

根据式(4)可得轴的计算公式：

(5)

(6)

由表2可知，空心轴的材料选用45钢，选取[τT]为 30 MPa，A0为100。电机的额定功率P0=2.2 k；转速n0=1 430 r/min，电机与空心轴的传动比i=40；电机与空心轴以圆锥-圆柱齿轮减速器连接，每级齿轮的传动效率(包括轴承效率在内)η=0.97[15]。

表2 轴常用几种材料的[τT]值及A0值

P=P0η2；

(7)

(8)

将P=2.1 kW，n=35.75 r/min，A0=100，β=0.5代入公式(6)可得空心轴外径的最小值为dmin=39.7 mm。

取外径d=60 mm，则内径d1=d×β=60×0.5=30 mm。

3 转速对反冲洗效果的影响测试

3.1 试验方法

将筒式反冲洗过滤器安置在3 m×3 m×2 m的水池中，并与水泵正常连接，水池中注入15 m3清水，再加入泥沙和锯末各2.5 kg。在过滤器的电机上安装变频器，压力计安装在过滤器的出水口上，测量过滤器内部的压力变化，电磁流量转换计安装在水泵的出水口，用来测量过滤器的流量变化。通过调节变频器来改变过滤器反冲洗的频率，即喷洗管和真空发生器的转速，观察过滤器运行30 min后过滤器内部压力和流量两大性能指标的变化，判断过滤器的反冲洗效果。试验设备及仪器见表3。

表3 试验设备及仪器

3.2 真空发生器转速与过滤器压力的关系

对表4中的数据进行方差分析，结果见表5。

表4 过滤器压力的测试数据

表5 方差分析结果

由表5可知，真空发生器的转速对过滤器内部压力变化的影响在α=0.05水平下极显著；滤网直径对过滤器内部压力的影响不显著。由此可知，真空发生器的转速是影响过滤器内部压力的主要因素。

4 结束语

经过计算和验证确定了过滤器各零部件的参数，各部件强度满足设计要求(图4-a)。该过滤器在反冲洗环节设计上具有独创性，采用了基于筒式滤网清污带内外真空隔离技术，解决了反向冲洗内外压差大导致冲洗力“逆向减弱”的缺陷，提高了过滤器的反冲洗效果。该过滤器的合理转速为 15～30 r/min，转速过低或过高，过滤器都无法正常工作。

该过滤器能够进行持续反冲洗，且反冲洗与过滤同步进行，实现在反冲洗的同时不间断供水。该过滤器为半开放式过滤器，过滤器与空气相通，防止滤网堵塞后，因过滤器内部压力增大而导致滤网变形。该过滤器过滤效果较好，尤其是对含有黏性和纤维物质的河水、湖水等地表水水质，能够有效解决传统反冲洗过滤器的滤网堵塞问题(图4-b)。