刮式自清潔海水濾器的設(shè)計(jì)

丁雪峰 許德勤

（1.海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室 上海 200135；2.南通航海機(jī)械集團(tuán)有限公司 南通 226000）

引 言

自清潔海水濾器能自動(dòng)清除海水中的雜物（包括：魚類、貝殼類、海草、泥沙、塑料等），防止海水濾器堵塞，并兼容海水系統(tǒng)防污保護(hù)裝置配置；改善海水系統(tǒng)工作條件滿足艦船設(shè)備海水系統(tǒng)需求；延長清洗保養(yǎng)周期，減輕船員保養(yǎng)工作的強(qiáng)度。

根據(jù)清洗方式的不同，自清潔海水濾器可以分為：吸污式自清潔海水濾器、轉(zhuǎn)臂式自清潔海水濾器和刮式自清潔海水濾器。吸污式和轉(zhuǎn)臂式自清潔海水濾器只適用于海水的排出管系，其利用出口的海水進(jìn)行逆向沖洗，沖洗效果與系統(tǒng)壓力有關(guān)。因此，開發(fā)一種適用于泵的吸入管系，并且運(yùn)行可靠的刮式自清潔海水濾器是非常必要的。

傳統(tǒng)海水濾器是按CB/T497標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，廣泛用于船舶及海洋工程中的海水或淡水管路系統(tǒng)，安裝于泵前的吸入口，其濾通比一般超過3倍。

傳統(tǒng)海水濾器的工作流程為：當(dāng)海水進(jìn)入有一定規(guī)格的籃式濾芯后，其雜質(zhì)被阻攔，而清潔的海水則由過濾器出口排出；當(dāng)需要清洗時(shí)，只要將可拆卸的籃式濾芯取出，清洗籃式濾芯中的雜質(zhì)后，重新裝入即可。

由于海水中含有較多生物且雜質(zhì)含量大，因此海水濾器需要經(jīng)常清洗以保證海水冷卻系統(tǒng)中海水的供應(yīng)量。但是濾器在實(shí)際應(yīng)用中安裝的位置空間非常狹小，濾器的周圍被管路或閥件包圍，維護(hù)空間小，部分濾器附近經(jīng)常會有積水，這給濾器維修、保養(yǎng)工作帶來極大不便，極大地增加了艦員保養(yǎng)工作強(qiáng)度。

鑒于以上分析，刮式自清潔海水濾器的開發(fā)是一個(gè)重要課題，它擔(dān)負(fù)著動(dòng)力設(shè)備冷卻、消防和日用海水供給等重任。

1 刮式自清潔海水濾器的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 刮式自清潔海水濾器結(jié)構(gòu)圖

本文介紹的刮式自清潔海水濾器主要由防污裝置、高壓水沖洗口、濾器蓋、殼體組件、濾芯組件、清污機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中殼體組件、濾器蓋等部件均采用不銹鋼316L材料，濾芯組件為鍥型網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由雙相不銹鋼絲碰焊而成，具有強(qiáng)度高、通流能力強(qiáng)，反沖效果好等特點(diǎn)。件

刮式自清潔海水濾器主要用于海水冷卻系統(tǒng)，主要安裝于吸入管路。濾器在正常工作時(shí)，冷卻水由進(jìn)水口進(jìn)入濾器，經(jīng)過安裝在濾器中間的鍥型過濾網(wǎng)過濾后，清水由出水口排出，在此過程中，雜質(zhì)會逐漸堆積在濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)。

當(dāng)濾器壓差達(dá)到系統(tǒng)工藝要求的壓差損失或工作一段時(shí)間后，需進(jìn)行反沖洗時(shí)，關(guān)閉濾器前后閥，此時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)工作，帶動(dòng)濾器中清污機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，清除過濾網(wǎng)上的雜質(zhì)，雜質(zhì)則隨著濾器內(nèi)的高壓水流（高壓水流可以從泵后引入或消防水管路進(jìn)入）從排污口排出。

2 刮式自清潔海水濾器的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

以某一系統(tǒng)刮式自清潔海水濾器的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：工作介質(zhì)為海水，過濾精度2.5 mm；流量400 m3/h；設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa；工作溫度小于80℃；沖洗方式：采用壓差沖洗、定時(shí)沖洗和手動(dòng)沖洗。

2.2 進(jìn)出口通徑確定

管路中介質(zhì)為海水，流速按海水管內(nèi)的流速選取［1］，一般與進(jìn)口管路口徑一致，取進(jìn)口流速Vi和出口流速Vo相等，即Vi=Vo=2～3 m/s，則過濾器進(jìn)出口通徑Di、Do為：

所以選取Di=Do=250 mm

2.3 過濾器濾網(wǎng)的選型與計(jì)算

本文介紹的刮式自清潔海水濾器濾芯采用鍥型網(wǎng)，其開孔型式有別于一般的過濾孔板，它是由橫網(wǎng)和豎網(wǎng)繞焊而成（結(jié)構(gòu)見圖2 鍥型網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖）。鍥型網(wǎng)截面呈梯形，固體物通過篩網(wǎng)時(shí)，與縫隙的兩邊形成點(diǎn)接觸，這對于減少流阻、保持良好的水力分布特性、增強(qiáng)反沖效果是十分重要的。另外由于濾芯采用了強(qiáng)度較高的繞焊式結(jié)構(gòu)，并通過橫絲或縱絲輔以加強(qiáng)，因此具有很高的強(qiáng)度。

圖2 鍥型網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

刮式自清潔海水濾器主要安裝于吸入管路，濾器的有效過濾面積應(yīng)不小于通徑面積的3倍［2］。

濾器的有效過濾面積=鍥型網(wǎng)的總面積×鍥型網(wǎng)的開孔率。

鍥型網(wǎng)的開孔率P′計(jì)算如下：

式中：d1為濾芯的過濾精度（2.5 mm）；

d2為濾網(wǎng)緯絲寬度（1.5 mm）；

經(jīng)計(jì)算，P′≈60%。

經(jīng)過對比計(jì)算，傳統(tǒng)海水濾器的濾芯為孔板，孔板的開孔率一般為40%～50%，其意味著在濾芯等同面積的前提下，鍥型網(wǎng)型式的濾器比一般孔板型式的濾器過濾效果約增加20%。

濾器的通徑面積=3.14×125×125=49 062.5 mm2；鍥型網(wǎng)的有效面積=鍥型網(wǎng)的總面積×P′≥3×濾器的通徑面積；

經(jīng)計(jì)算，鍥型網(wǎng)的總面積不小于245 312.5 mm2。

2.4 防污裝置的選擇

海洋污損生物棲息、附著及生長在船底、海水管系中，對自清潔海水濾器產(chǎn)生不利影響。特別是硬質(zhì)海洋動(dòng)物如雙殼類軟體動(dòng)物，一方面會破壞金屬結(jié)構(gòu)表層，進(jìn)而產(chǎn)生局部腐蝕；另一方面較大型的污損生物會堵塞自清潔海水濾器管路，嚴(yán)重影響船舶的安全和使用壽命。

目前，超聲波技術(shù)在艦船海水管路防護(hù)中經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展及應(yīng)用階段，從最初單一的海水濾器內(nèi)置超聲波裝置，發(fā)展到多樣式超聲波振子的形式，防海生物污損效果及裝置的可靠性取得了顯著的提升。其中最典型的為振板式超聲波裝置和振棒式超聲波裝置。

振板式超聲波裝置結(jié)構(gòu)簡單。它應(yīng)用于海水濾器內(nèi)，在濾器內(nèi)部設(shè)置有 2塊超聲波振板，每塊超聲波振板的內(nèi)部設(shè)置有若干振子，電源線由接線管保護(hù)并引出接線管和定位棒，將超聲波振板固定在濾器蓋板上。

振棒式作為新一代的超聲波防海生物裝置，與振板式最大的不同在于振子的結(jié)構(gòu)改變，由多個(gè)小功率振子變?yōu)閱误w振子。其特點(diǎn)是振棒軸向超聲功率大，徑向超聲功率相對較小，且單體作用強(qiáng)、壽命長，應(yīng)用范圍更廣，不僅可在海水濾器內(nèi)應(yīng)用，而且還能在管線內(nèi)應(yīng)用。振棒式解決了振板式存在的焊縫容易開裂的問題，僅是振子部分浸入水中，電路部分得到了保護(hù)。

本文介紹的刮式自清潔海水濾器在防污裝置的選擇上選用振棒式超聲波裝置。

2.5 清污裝置的設(shè)計(jì)

本文介紹的刮式自清潔海水濾器清污裝置的關(guān)鍵零件是刮刀，它是清除濾網(wǎng)上雜質(zhì)的執(zhí)行元件，所以結(jié)構(gòu)上需保證工作過程中刮刀與濾網(wǎng)之間無間隙存在。但是濾芯為焊接件，在制造過程中，各截面位置處的圓度會有所區(qū)別，因此，為適應(yīng)濾網(wǎng)圓度的變化，刮刀在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)能沿著徑向伸縮，以保證刮刀能刮到濾網(wǎng)上的雜質(zhì)，清污裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 清污裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

為保證刮刀與濾網(wǎng)有效接觸，必須使彈簧處于壓縮狀態(tài)，使刮刀與濾網(wǎng)間的法向壓力為10 N左右［3］，該壓力值太小會造成刮洗不干凈，太大會造成刮刀與濾網(wǎng)之間的阻力增大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在濾器工作壓力小于1.0 MPa時(shí)，法向壓力為10 N時(shí)清洗效果佳，對于工作壓力大于1.0 MPa時(shí)，法向壓力可增加至15 N左右。另外刮刀在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到離心力的作用，離心力對于雜質(zhì)的清除是一個(gè)有害力，為減小這一有害的離心力，必須嚴(yán)格限制刮刀的轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)時(shí)選取轉(zhuǎn)速n=17 r/min［4］。

根據(jù)清污裝置的規(guī)格尺寸及所受法向壓力的大小，選擇彈簧的規(guī)格YA2×20×55［5］，根據(jù)所受法向壓力計(jì)算彈簧的壓縮量f1

式中：F′為彈簧剛度，其值為3.0 N/mm；

Fn為最大工作負(fù)荷，其值為107 N；

F1為工作載荷，其值為10 N；

fn為最大工作變形量，其值為36 mm。

因此，在裝配時(shí)控制刮刀的過盈尺寸為3.67 mm。

2.6 濾器設(shè)計(jì)壓力和溫度的要求

濾器設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa，因此刮式自清潔海水濾器需按照CCS規(guī)范壓力容器進(jìn)行壁厚以及螺栓螺母強(qiáng)度的校核。［6］

濾器的設(shè)計(jì)溫度為80℃，且過濾介質(zhì)為海水，因此在密封元件的選擇上要選擇耐溫和耐海水腐蝕的材料，可選擇氯丁橡膠。

2.7 濾器驅(qū)動(dòng)裝置的選型

濾器的驅(qū)動(dòng)裝置可根據(jù)濾器安裝位置的資源供給來選擇。常用的驅(qū)動(dòng)裝置類型有減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

3 結(jié) 論

刮式自清潔海水濾器是海水冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，它能有利于減緩海水泵的磨損，防止冷卻器的堵塞，保證海水冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其性能的好壞關(guān)系到海水冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行和使用壽命。

本文介紹的刮式自清潔海水濾器由于增加了自動(dòng)清洗的功能，故維修方便。刮式自清潔海水濾器可根據(jù)其系統(tǒng)所需要的流量要求制成系列產(chǎn)品，并可用于其他液體的過濾，因而具有一定實(shí)用價(jià)值。

刮式自清潔海水濾器是一門新興發(fā)展技術(shù)，隨著環(huán)境發(fā)展的要求及水資源匱乏的趨勢，刮式自清潔海水濾器還可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)水灌溉、污水處理與固液分離、制漿與造紙等行業(yè)。

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［6］ 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2006：75-112.