自清洗旋轉網筒過濾器過濾效率初探

段曉芳，張延賀，馬 睿，楊文新，2

（1.新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052）

1 國內外研究背景及現狀

我國總體水資源呈現“東南多，西北少”的大分配格局。隨著人口數量變多、城市化進程加快、地表水污染嚴重、水資源供需矛盾、地區(qū)之間分配不均等，我國人均水資源利用量持續(xù)減少，與其他國家差距較大。在新疆地區(qū)，作物大量需水的生育期正是河流的汛期，80%以上的灌溉水源為高山冰川的地表水，具有含沙量較高、泥沙粒徑大的特點。在工程設計中考慮防止和減少泥沙進入引取水口措施，如沉沙池（井）等沉沙設施解決泥沙問題[1]非常有必要。

上世紀后期，石河子大學張開泉等人曾進行過螺旋排沙試驗研究[2]。目前，砂介質過濾器、網式過濾器、離心過濾器及疊片過濾器等[3]常用于地表水的處理，劉亞麗研究的河水滴灌重力沉沙過濾池[4]也取得了較好成果。在常規(guī)過濾器研究成果基礎上，國內學者又提出了新型過濾器，如魚雷網式過濾器[5]、砂石-篩網組合過濾器[6]、離心篩網式過濾器[7]，為滴灌技術首部系統(tǒng)過濾器的選擇提供了更多選項。但這些過濾器的工作方式都屬于泵后強壓過濾沖洗，且能耗高、生產投資大，會造成灌水器堵塞，影響灌水質量，造成作物減產，嚴重的甚至會造成整個微灌系統(tǒng)癱瘓[8，9]。

現有的網式過濾器研究對象主要包括水利性能、流場、過濾機理以及綜合評價指標等[10]。劉煥芳[11]等對自吸網式過濾器進行水力性能試驗，發(fā)現裝置過濾效率與時間并不成線性關系；宗全利等[12]對自清洗網式過濾器排污壓差進行了計算，最終獲得清水和渾水水頭損失變化曲線并得出過濾器的最佳排污壓差值；阿力甫江·阿不里米提等[13]對魚雷網式過濾器內部全流場進行數值模擬，最終表明，魚雷部件和出水口邊界條件對過濾器的速度場和壓力場分布規(guī)律影響很大。

利用自反沖洗式水質過濾裝置原理[14]，研究一種造價低、結構簡單、高效節(jié)能、輕便實用、管理方便的設備或裝置，是保障微灌系統(tǒng)正常發(fā)揮經濟效益的必要條件，也是發(fā)展節(jié)水灌溉技術的首要前提。在網式過濾器的基礎上，提出一種新型過濾裝置——自清洗旋轉網筒過濾器，在設計結構、形狀、驅動方式上加以創(chuàng)新，同時提高過濾和排沙雙重效率。

2 裝置簡介

2.1 試驗裝置

本裝置是一種新型除沙過濾裝置，將傳統(tǒng)的微灌首部樞紐泵后式過濾改為泵前轉筒式過濾，如圖1 所示。過濾器由進水端、旋轉網筒、葉片、軸承及排污閥等組成，渾水桶與轉筒進水管連接，在自然水頭的作用下渾水進入旋轉網筒。旋轉網筒由錐桶、兩端葉片、中部的濾網、高壓噴嘴和尾部的排沙閥組成。整個轉筒從左到右直徑逐漸減少，促進泥沙等污物向轉筒末端匯集。

圖1 自清洗旋轉網筒過濾器示意

2.2 工作原理

該裝置濾網孔徑為100 目，噴嘴頻率為50 Hz，從渾水箱中流出的渾水通過進水管進入轉筒式過濾器，沖擊轉筒外壁上的葉片，保障轉筒持續(xù)轉動。渾水由內向外過濾出來，當轉筒內部的泥沙沉積到一定量時，打開尾部排沙閥門，在沉沙池內的自然水頭作用下升高裝置進水端實現水力排沙。自制模型利用渾水桶代替沉沙池，由渾水桶與轉筒之間的高差模擬自然水頭。本設計利用旋轉網筒（錐筒）結構，減小轉筒的截面面積，增大水流流速，促進網筒中的泥沙向轉筒尾部移動。由于噴嘴的作用，將附著在濾網表面的泥沙沖洗掉，使網筒處于高效的介質過濾階段，進一步促使泥沙向轉筒尾部匯集，可提高過濾器的過濾效率和排沙速率。

2.3 試驗方法

本次試驗分為清水試驗和渾水試驗。做清水試驗時，含沙量為0，故不考慮含沙量對裝置的影響，主要研究進水端升高高度和進水流量對過濾效果的影響；做渾水試驗時，主要研究進水端升高高度、進水流量、含沙量對轉速大小、過濾效果以及排沙耗水率的影響。試驗時，用秒表計時，測出轉筒每分鐘所轉圈數，最后可得出各工況對裝置轉速的影響，進而判斷出裝置的過濾效率。

2.3.1 清水試驗

（1）研究進水流量對裝置轉速的影響時，控制進水端升高高度為5、9和13 cm，控制進水流量分別為5.1、3.1、1.3 m3/h；共做3 組試驗，以消除系統(tǒng)誤差和偶然誤差，試驗結果如圖2所示。

圖2 進水流量與裝置轉速關系

由進水流量與裝置轉速的影響關系曲線得知：進水端升高高度越高、進水流量越小，裝置轉速越快。在進水端升高高度為13 cm、進水流量為1.3 m3/h時，裝置的轉速最快為363 r/min，由于受到水重力的影響，轉筒內部水量越大，裝置越重，減小進水流量，會使裝置的轉速加快；升高高度越高進水流量變小，使得裝置轉動阻力變小，轉速加快。

（2）研究進水端升高高度對裝置轉速的影響時，控制流量在5.1、3.1 和1.3 m3/h，控制升高高度分別為5、9、13、17、20 cm；共做3組試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 進水端升高高度對裝置轉速影響

由升高高度對裝置轉速的影響關系曲線得知：抬高轉筒的升高高度，使得網筒的傾斜角度變大，更多的水聚到錐桶尾部，使網筒重力的水平分力增加，進而增加了網筒末端的摩擦力，使得網筒的轉速越慢。

2.3.2 渾水試驗

（1）在研究進水端升高高度對轉速、排沙效率、排沙耗水率的影響時，首先可控制進水流量為1.7 m3/h，含沙量為1 kg/m3，升高高度分別為0、4、9 cm，測得過濾烘干前后沙子的重量分析該影響；再控制進水流量為0.66 m3/h，含沙量為2.4 kg/m3，升高高度分別為0、4、9 cm，測得過濾烘干前后沙子的重量，試驗結果如圖4所示。

圖4 進水端升高高度與裝置過濾效率關系

由進水端升高高度與裝置過濾效率影響關系曲線得知：控制進水流量和含沙量相同，升高高度越高，網筒的傾斜角度變大，網筒轉速變慢，使得沙子和過濾網的接觸面積減小，過濾效率變低，排沙耗水率越小。

（2）在研究進水流量對轉速、排沙效率、排沙耗水率的影響時，控制含沙量為1.2 kg/m3，進水端升高高度分別為0、4、9 cm，測得過濾烘干前后沙子的重量以分析該影響，試驗結果如圖5所示。

圖5 進水流量與裝置過濾效率關系

由進水流量與裝置過濾效率關系曲線得知：含沙量和進水端升高高度相同時，進水流量越大，裝置重量最大，動能越大，使得轉筒的轉速越低，過濾效率降低，排沙耗水率越大。

3 試驗結論

根據現有研究成果[10]，在其基礎上將裝置加以改進，利用控制變量法，全面探究含沙量、升高高度、進水流量等綜合因素對裝置過濾效率的影響。

清水工況下，在控制進水端升高高度不變、濾網孔徑一定時，進水流量越大，轉筒內部蓄水越多，轉筒重量越大，使得網筒的轉速越慢。以控制升高高度9 cm 工況為例，隨著進水流量的減小，在進水流量為1.3 m3/h 時，網筒轉速最快為363 r/min；抬高轉筒的升高高度時，使得網筒的傾斜角度變大，更多的水聚到錐桶尾部，使得網筒的轉速越慢，以控制進水流量3.14 m3/h 工況為例，在升高高度為9 cm 時，網筒轉速最快，為288 r/min。

渾水工況下，進水流量和含沙量相同時，進水端升高高度越高，網筒的傾斜角度變大，更多沙子淤積在錐桶尾部，使得沙子和過濾網的接觸面積減小，過濾效率變低，以進水流量為1.7 m3/h、含沙量為1 kg/m3工況為例，進水端升高高度為9 cm 時，網筒轉速最快為363 r/min；裝置平放時，過濾效率最高為87%，排沙耗水率最大為2.46%。含沙量和升高高度相同時，進水流量越大，轉筒的轉速越低，從而影響過濾效率，使其變低，以含沙量為1.2 kg/m3、升高高度為4 cm 的工況為例，當進水流量為0.55 m3/h 時，過濾效率最高為86%，排沙耗水率為2.42%；進水流量為1.05 m3/h 時，排沙耗水率最大為2.62%，過濾效率為78%。

4 結語

本裝置用于泵前過濾，減少對過濾裝置本身的損壞，提高了過濾效率；與傳統(tǒng)的人工清理過濾器相比，在過濾的同時，實現自動排沙，經濟成本低廉，投入成本較小，發(fā)展前景良好。但僅僅依靠微灌首部過濾裝置等措施遠遠不夠，還要持續(xù)減少河流中的泥沙含量，建立健全水資源剛性約束制度、全社會節(jié)水制度，早日實現雙碳目標。