刮式自清潔海水濾器的設計

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.南通航海機械集團有限公司 南通 226000）

引 言

自清潔海水濾器能自動清除海水中的雜物（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)防污保護裝置配置；改善海水系統(tǒng)工作條件滿足艦船設備海水系統(tǒng)需求；延長清洗保養(yǎng)周期，減輕船員保養(yǎng)工作的強度。

根據清洗方式的不同，自清潔海水濾器可以分為：吸污式自清潔海水濾器、轉臂式自清潔海水濾器和刮式自清潔海水濾器。吸污式和轉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行逆向沖洗，沖洗效果與系統(tǒng)壓力有關。因此，開發(fā)一種適用于泵的吸入管系，并且運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標準生產的，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：當海水進入有一定規(guī)格的籃式濾芯后，其雜質被阻攔，而清潔的海水則由過濾器出口排出；當需要清洗時，只要將可拆卸的籃式濾芯取出，清洗籃式濾芯中的雜質后，重新裝入即可。

由于海水中含有較多生物且雜質含量大，因此海水濾器需要經常清洗以保證海水冷卻系統(tǒng)中海水的供應量。但是濾器在實際應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，維護空間小，部分濾器附近經常會有積水，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)工作強度。

鑒于以上分析，刮式自清潔海水濾器的開發(fā)是一個重要課題，它擔負著動力設備冷卻、消防和日用海水供給等重任。

1 刮式自清潔海水濾器的結構和工作原理

圖1 刮式自清潔海水濾器結構圖

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、清污機構、驅動裝置等組成，具體結構如圖1所示。其中殼體組件、濾器蓋等部件均采用不銹鋼316L材料，濾芯組件為鍥型網結構，由雙相不銹鋼絲碰焊而成，具有強度高、通流能力強，反沖效果好等特點。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，冷卻水由進水口進入濾器，經過安裝在濾器中間的鍥型過濾網過濾后，清水由出水口排出，在此過程中，雜質會逐漸堆積在濾網內側。

當濾器壓差達到系統(tǒng)工藝要求的壓差損失或工作一段時間后，需進行反沖洗時，關閉濾器前后閥，此時驅動裝置旋轉工作，帶動濾器中清污機構旋轉運動，清除過濾網上的雜質，雜質則隨著濾器內的高壓水流（高壓水流可以從泵后引入或消防水管路進入）從排污口排出。

2 刮式自清潔海水濾器的設計

2.1 設計參數

以某一系統(tǒng)刮式自清潔海水濾器的設計參數如下：工作介質為海水，過濾精度2.5 mm；流量400 m3/h；設計壓力0.6 MPa；工作溫度小于80℃；沖洗方式：采用壓差沖洗、定時沖洗和手動沖洗。

2.2 進出口通徑確定

管路中介質為海水，流速按海水管內的流速選?。?］，一般與進口管路口徑一致，取進口流速Vi和出口流速Vo相等，即Vi=Vo=2～3 m/s，則過濾器進出口通徑Di、Do為：

所以選取Di=Do=250 mm

2.3 過濾器濾網的選型與計算

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

圖2 鍥型網結構圖

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不小于通徑面積的3倍［2］。

濾器的有效過濾面積=鍥型網的總面積×鍥型網的開孔率。

鍥型網的開孔率P′計算如下：

式中：d1為濾芯的過濾精度（2.5 mm）；

d2為濾網緯絲寬度（1.5 mm）；

經計算，P′≈60%。

經過對比計算，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；鍥型網的有效面積=鍥型網的總面積×P′≥3×濾器的通徑面積；

經計算，鍥型網的總面積不小于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生不利影響。特別是硬質海洋動物如雙殼類軟體動物，一方面會破壞金屬結構表層，進而產生局部腐蝕；另一方面較大型的污損生物會堵塞自清潔海水濾器管路，嚴重影響船舶的安全和使用壽命。

目前，超聲波技術在艦船海水管路防護中經歷了多個發(fā)展及應用階段，從最初單一的海水濾器內置超聲波裝置，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構簡單。它應用于海水濾器內，在濾器內部設置有 2塊超聲波振板，每塊超聲波振板的內部設置有若干振子，電源線由接線管保護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構改變，由多個小功率振子變?yōu)閱误w振子。其特點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、壽命長，應用范圍更廣，不僅可在海水濾器內應用，而且還能在管線內應用。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。

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 清污裝置的設計

本文介紹的刮式自清潔海水濾器清污裝置的關鍵零件是刮刀，它是清除濾網上雜質的執(zhí)行元件，所以結構上需保證工作過程中刮刀與濾網之間無間隙存在。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，為適應濾網圓度的變化，刮刀在設計時應能沿著徑向伸縮，以保證刮刀能刮到濾網上的雜質，清污裝置內部結構如圖3所示。

圖3 清污裝置內部結構圖

為保證刮刀與濾網有效接觸，必須使彈簧處于壓縮狀態(tài)，使刮刀與濾網間的法向壓力為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之間的阻力增大，根據經驗，在濾器工作壓力小于1.0 MPa時，法向壓力為10 N時清洗效果佳，對于工作壓力大于1.0 MPa時，法向壓力可增加至15 N左右。另外刮刀在轉動過程中受到離心力的作用，離心力對于雜質的清除是一個有害力，為減小這一有害的離心力，必須嚴格限制刮刀的轉速，設計時選取轉速n=17 r/min［4］。

根據清污裝置的規(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］，根據所受法向壓力計算彈簧的壓縮量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，在裝配時控制刮刀的過盈尺寸為3.67 mm。

2.6 濾器設計壓力和溫度的要求

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

濾器的設計溫度為80℃，且過濾介質為海水，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 濾器驅動裝置的選型

濾器的驅動裝置可根據濾器安裝位置的資源供給來選擇。常用的驅動裝置類型有減速電機驅動、液壓驅動和氣動驅動。

3 結 論

刮式自清潔海水濾器是海水冷卻系統(tǒng)中的關鍵設備，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)的正常運行，其性能的好壞關系到海水冷卻系統(tǒng)的正常運行和使用壽命。

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

刮式自清潔海水濾器是一門新興發(fā)展技術，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用于農業(yè)水灌溉、污水處理與固液分離、制漿與造紙等行業(yè)。

［參考文獻］

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［3］ 劉建華，歐陽豫樊，王啟倫. 新型刮式自清洗過濾器的設計與研究［J］.機床與液壓，2013（14）：26-28.

［4］劉建華，賈煥麗，王啟倫.水力驅動全自動過濾器的設計分析［J］.機械設計與研究，2012（2）：103-105.

［5］ 趙春偉.GB/T2089-2009普通圓柱螺旋壓縮彈簧尺寸及參數［S］.北京：中國標準出版社，2009：1-22.

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