刮式自清洁海水滤器的设计

丁雪峰 许德勤

（1.海军驻上海地区舰炮系统军事代表室 上海 200135；2.南通航海机械集团有限公司 南通 226000）

引 言

自清洁海水滤器能自动清除海水中的杂物（包括：鱼类、贝壳类、海草、泥沙、塑料等），防止海水滤器堵塞，并兼容海水系统防污保护装置配置；改善海水系统工作条件满足舰船设备海水系统需求；延长清洗保养周期，减轻船员保养工作的强度。

根据清洗方式的不同，自清洁海水滤器可以分为：吸污式自清洁海水滤器、转臂式自清洁海水滤器和刮式自清洁海水滤器。吸污式和转臂式自清洁海水滤器只适用于海水的排出管系，其利用出口的海水进行逆向冲洗，冲洗效果与系统压力有关。因此，开发一种适用于泵的吸入管系，并且运行可靠的刮式自清洁海水滤器是非常必要的。

传统海水滤器是按CB/T497标准生产的，广泛用于船舶及海洋工程中的海水或淡水管路系统，安装于泵前的吸入口，其滤通比一般超过3倍。

传统海水滤器的工作流程为：当海水进入有一定规格的篮式滤芯后，其杂质被阻拦，而清洁的海水则由过滤器出口排出；当需要清洗时，只要将可拆卸的篮式滤芯取出，清洗篮式滤芯中的杂质后，重新装入即可。

由于海水中含有较多生物且杂质含量大，因此海水滤器需要经常清洗以保证海水冷却系统中海水的供应量。但是滤器在实际应用中安装的位置空间非常狭小，滤器的周围被管路或阀件包围，维护空间小，部分滤器附近经常会有积水，这给滤器维修、保养工作带来极大不便，极大地增加了舰员保养工作强度。

鉴于以上分析，刮式自清洁海水滤器的开发是一个重要课题，它担负着动力设备冷却、消防和日用海水供给等重任。

1 刮式自清洁海水滤器的结构和工作原理

图1 刮式自清洁海水滤器结构图

本文介绍的刮式自清洁海水滤器主要由防污装置、高压水冲洗口、滤器盖、壳体组件、滤芯组件、清污机构、驱动装置等组成，具体结构如图1所示。其中壳体组件、滤器盖等部件均采用不锈钢316L材料，滤芯组件为锲型网结构，由双相不锈钢丝碰焊而成，具有强度高、通流能力强，反冲效果好等特点。件

刮式自清洁海水滤器主要用于海水冷却系统，主要安装于吸入管路。滤器在正常工作时，冷却水由进水口进入滤器，经过安装在滤器中间的锲型过滤网过滤后，清水由出水口排出，在此过程中，杂质会逐渐堆积在滤网内侧。

当滤器压差达到系统工艺要求的压差损失或工作一段时间后，需进行反冲洗时，关闭滤器前后阀，此时驱动装置旋转工作，带动滤器中清污机构旋转运动，清除过滤网上的杂质，杂质则随着滤器内的高压水流（高压水流可以从泵后引入或消防水管路进入）从排污口排出。

2 刮式自清洁海水滤器的设计

2.1 设计参数

以某一系统刮式自清洁海水滤器的设计参数如下：工作介质为海水，过滤精度2.5 mm；流量400 m3/h；设计压力0.6 MPa；工作温度小于80℃；冲洗方式：采用压差冲洗、定时冲洗和手动冲洗。

2.2 进出口通径确定

管路中介质为海水，流速按海水管内的流速选取［1］，一般与进口管路口径一致，取进口流速Vi和出口流速Vo相等，即Vi=Vo=2～3 m/s，则过滤器进出口通径Di、Do为：

所以选取Di=Do=250 mm

2.3 过滤器滤网的选型与计算

本文介绍的刮式自清洁海水滤器滤芯采用锲型网，其开孔型式有别于一般的过滤孔板，它是由横网和竖网绕焊而成（结构见图2 锲型网结构图）。锲型网截面呈梯形，固体物通过筛网时，与缝隙的两边形成点接触，这对于减少流阻、保持良好的水力分布特性、增强反冲效果是十分重要的。另外由于滤芯采用了强度较高的绕焊式结构，并通过横丝或纵丝辅以加强，因此具有很高的强度。

图2 锲型网结构图

刮式自清洁海水滤器主要安装于吸入管路，滤器的有效过滤面积应不小于通径面积的3倍［2］。

滤器的有效过滤面积=锲型网的总面积×锲型网的开孔率。

锲型网的开孔率P′计算如下：

式中：d1为滤芯的过滤精度（2.5 mm）；

d2为滤网纬丝宽度（1.5 mm）；

经计算，P′≈60%。

经过对比计算，传统海水滤器的滤芯为孔板，孔板的开孔率一般为40%～50%，其意味着在滤芯等同面积的前提下，锲型网型式的滤器比一般孔板型式的滤器过滤效果约增加20%。

滤器的通径面积=3.14×125×125=49 062.5 mm2；锲型网的有效面积=锲型网的总面积×P′≥3×滤器的通径面积；

经计算，锲型网的总面积不小于245 312.5 mm2。

2.4 防污装置的选择

海洋污损生物栖息、附着及生长在船底、海水管系中，对自清洁海水滤器产生不利影响。特别是硬质海洋动物如双壳类软体动物，一方面会破坏金属结构表层，进而产生局部腐蚀；另一方面较大型的污损生物会堵塞自清洁海水滤器管路，严重影响船舶的安全和使用寿命。

目前，超声波技术在舰船海水管路防护中经历了多个发展及应用阶段，从最初单一的海水滤器内置超声波装置，发展到多样式超声波振子的形式，防海生物污损效果及装置的可靠性取得了显著的提升。其中最典型的为振板式超声波装置和振棒式超声波装置。

振板式超声波装置结构简单。它应用于海水滤器内，在滤器内部设置有 2块超声波振板，每块超声波振板的内部设置有若干振子，电源线由接线管保护并引出接线管和定位棒，将超声波振板固定在滤器盖板上。

振棒式作为新一代的超声波防海生物装置，与振板式最大的不同在于振子的结构改变，由多个小功率振子变为单体振子。其特点是振棒轴向超声功率大，径向超声功率相对较小，且单体作用强、寿命长，应用范围更广，不仅可在海水滤器内应用，而且还能在管线内应用。振棒式解决了振板式存在的焊缝容易开裂的问题，仅是振子部分浸入水中，电路部分得到了保护。

本文介绍的刮式自清洁海水滤器在防污装置的选择上选用振棒式超声波装置。

2.5 清污装置的设计

本文介绍的刮式自清洁海水滤器清污装置的关键零件是刮刀，它是清除滤网上杂质的执行元件，所以结构上需保证工作过程中刮刀与滤网之间无间隙存在。但是滤芯为焊接件，在制造过程中，各截面位置处的圆度会有所区别，因此，为适应滤网圆度的变化，刮刀在设计时应能沿着径向伸缩，以保证刮刀能刮到滤网上的杂质，清污装置内部结构如图3所示。

图3 清污装置内部结构图

为保证刮刀与滤网有效接触，必须使弹簧处于压缩状态，使刮刀与滤网间的法向压力为10 N左右［3］，该压力值太小会造成刮洗不干净，太大会造成刮刀与滤网之间的阻力增大，根据经验，在滤器工作压力小于1.0 MPa时，法向压力为10 N时清洗效果佳，对于工作压力大于1.0 MPa时，法向压力可增加至15 N左右。另外刮刀在转动过程中受到离心力的作用，离心力对于杂质的清除是一个有害力，为减小这一有害的离心力，必须严格限制刮刀的转速，设计时选取转速n=17 r/min［4］。

根据清污装置的规格尺寸及所受法向压力的大小，选择弹簧的规格YA2×20×55［5］，根据所受法向压力计算弹簧的压缩量f1

式中：F′为弹簧刚度，其值为3.0 N/mm；

Fn为最大工作负荷，其值为107 N；

F1为工作载荷，其值为10 N；

fn为最大工作变形量，其值为36 mm。

因此，在装配时控制刮刀的过盈尺寸为3.67 mm。

2.6 滤器设计压力和温度的要求

滤器设计压力为0.6 MPa，因此刮式自清洁海水滤器需按照CCS规范压力容器进行壁厚以及螺栓螺母强度的校核。［6］

滤器的设计温度为80℃，且过滤介质为海水，因此在密封元件的选择上要选择耐温和耐海水腐蚀的材料，可选择氯丁橡胶。

2.7 滤器驱动装置的选型

滤器的驱动装置可根据滤器安装位置的资源供给来选择。常用的驱动装置类型有减速电机驱动、液压驱动和气动驱动。

3 结 论

刮式自清洁海水滤器是海水冷却系统中的关键设备，它能有利于减缓海水泵的磨损，防止冷却器的堵塞，保证海水冷却系统的正常运行，其性能的好坏关系到海水冷却系统的正常运行和使用寿命。

本文介绍的刮式自清洁海水滤器由于增加了自动清洗的功能，故维修方便。刮式自清洁海水滤器可根据其系统所需要的流量要求制成系列产品，并可用于其他液体的过滤，因而具有一定实用价值。

刮式自清洁海水滤器是一门新兴发展技术，随着环境发展的要求及水资源匮乏的趋势，刮式自清洁海水滤器还可以应用于农业水灌溉、污水处理与固液分离、制浆与造纸等行业。

［参考文献］

［1］ 黄恒祥. 船舶设计实用手册轮机分册［M］.北京：国防工业出版社，1999：421-421.

［2］ 江南造船厂.CBM1061-81-1981吸入粗水滤器［S］.北京：第六机械工业部，1981：1-3.

［3］ 刘建华，欧阳豫樊，王启伦. 新型刮式自清洗过滤器的设计与研究［J］.机床与液压，2013（14）：26-28.

［4］刘建华，贾焕丽，王启伦.水力驱动全自动过滤器的设计分析［J］.机械设计与研究，2012（2）：103-105.

［5］ 赵春伟.GB/T2089-2009普通圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数［S］.北京：中国标准出版社，2009：1-22.

［6］ 中国船级社.钢质海船入级规范［S］.北京：人民交通出版社，2006：75-112.