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1、潜水推流设备调研报告一、研究背景推流器是用于环保污水处理、景观水循环等方面，以产生水流为目的的螺旋 桨装置。不同规格的产品，用于不同的场合，所产生的流场状态将会是不相同的； 对于推流器的选用而言，目的在于根据特定的工作环境以及流场状态要求来选择 最佳的推流器1。潜水推流器主要用于水处理工程，在湖泊人工强化水体循环技术方面起着非 常重要的作用，主要是根据湖库所呈现的水质特点，通过人工机械的方法让本来 静止或流动性很差的封闭缓流水体具有一定的流速，加速水体的循环流动，从而 提高水体的溶解氧，加快水体分层间的混合扰动2，破坏了缓慢的水流流态，使 水中微生物的活性得以恢复，从而增强了微生物对污染物的去
2、除和对水环境的净 化能力，达到改善湖湾水质的目的，抑制湖库水体水华现象的发生。国内在湖库人工强化水体循环技术方面的研究较多，人工强化水体循环对城 市湖库水动力条件改变明显。由于城市湖库水体一般处于封闭或半封闭状态，水 体循环差，流速很小，而其流场分布可以反应出水环境质量好坏，利用人工水强 化水体循环措施达到改善城市湖泊水质的目的，是一种常见的物理方法。比如人 为的控制进、出水口的流量，改变进、出口的位置，变换进、出水口组合，更改 换水周期和换水量，使湖泊水动力条件得到改善，增加水体循环的速度，减少水 体间交换的时间，达到改善湖泊水质的目的。廖平安3等人研究水流流速对藻类生长情况的影响，通过在故
3、宫简子河3处 断面分别放置 6 台规格为 380V、2.2kw、50Hz 的潜水推流器，通过潜水推流器 的运行，增加水体流速，加强水体循环，使河水水体始终保持紊流状态，增加溶 解氧，达到控制藻类生长过快，防止水华现象发生的目的。通过连续不断的监测 表明，流速在0.050.20m/s范围内，增加水体流速对叶绿素a有较大的影响，藻 类生长抑制作用明显，可以有效地防止水华的发生。二、推流器概述人工强化水体循环设备是以在污水处理工艺中具有较高技术含量的水下推 进器为原型，结合河湖条件，水深及水质情况加以改进的推进设备。目前的水下推进器在国内外污水处理工艺中的运用非常广泛，研发技术相对成熟，设备运行 较
4、为稳定，为其改造提供了良好的技术支持和理论依据。一般来说，水下推进器根据其叶轮直径大小和转速大致分为两类，一类是小直径高转速以混合搅拌为主的推进器，另一类是大直径低流速以推动混合液流动为主的推进器。图 2.1 小直径推进器图 2.2 大直径推进器图 2.3 水下推进器示意图而水下推进器由八部分组成，包括由尾翼，电缆线，电机，减速箱， 叶轮，机械密封系统，电极探头，渗漏报警器。由于水下推进器工作环 境的特殊性，对密封和安全性能要求较高，所以推进器中机械密封系统和渗漏报 警器显得尤为重要。由于需要保证在复杂的环境下推进器能正常运行，所以对原 材料的选择要求较高，其示意图如图 2.3 所示。1、犀算
5、2. 电境线牡减速箱f 5、叶轮j s,机械密封7、电极按头a.涔漏报警器潜水推流器运行时通过叶轮的旋转将液体向前推进，同时加快水体分层之间 的扰动，使其快速混合，以改善水动力条件。其工作原理是：电动机通过直联减 速装置驱动叶轮旋转，旋转的叶轮使液体产生旋向的射流，而沿着射流表面的剪 切力使液体混合，从而使流场外的液体通过摩擦作用进行水体混合4，同时伴随 着体积流的形成让受控流体源源不断的向前推进。一般情况下，小直径高流速推进器适用于市政和工业污水处理工艺流程中搅 拌含有悬浮物的液体，一般选用多级电机，质量可靠，运行安全采用直联式结构， 能耗低，效率高。混合搅拌机叶轮通过精铸或冲压成型，精度高
6、，推力大，结构 紧凑。大直径低速推流器适用于市政和工业污水处理厂曝气池和厌氧池，用于污 水池中水循环及硝化、脱氮和除磷阶段水的有效流动与曝气。低速推进器采用摆 线针轮减速机，配备功率小、转速低的电机，其搅拌机叶轮直径大，服务面积广， 叶轮由聚氨酯材料和铝合金铸成，强度高，耐腐蚀性强。目前，国内外制造的水下推进器质量参差不齐，价格相差较大。一般国内的 推进器价格较低，售后维修方便快捷，但是存在诸多问题，如设备体积大，性能 不理想，减速传动系统效率低下，可靠性差，使用寿命短，需经常更换配件装置 等5。国外推进器的设备体积小，效率高，制作精良，但是其价格高，维修不便， 后期的维护管理成本较大。三、潜
7、水推流器选择依据潜水推流器是以提高水体流速，改变水流流态为目的螺旋桨装置。根据推动 水体范围大小的不同，其电机功率，叶轮直径也各不相同，相应产生的流场状态 也不一样。对于潜水推流器的选择，要根据工作环境和所需流场状态来选择合适 的潜水推流器。根据朱学红等人6对潜水推流器研究，总结出其选型技术的3个 重要依据：推流器的叶轮；潜水推流器的减速机；潜水推流器的基座。 3.1潜水推流器叶轮的选择叶轮作为潜水推流器的核心构件，直接反应了推流器水力性能的好坏。其材 料，性能和技术直接体现了潜水推流器的先进与否和降耗节能的性能。叶轮材料 的选择经过初期的碳钢防腐，不锈钢到后期的铝合金等不同阶段，但是这些材料
8、 的研发制作暴露出密度大，成型差，平衡性弱等缺点，从而都不是叶轮材料的最 佳选择。因此，开发一款成本低，密度小，易成型，平衡性高且防腐性能好的复 合型材料叶轮是潜水推流器必须突破的技术障碍。经过对国内外潜水推流器叶轮 材料的比对，参考其他行业（比如风力发电机叶轮材料）叶轮叶片的性能，发现 玻璃钢复合材料的叶轮各方面性能较好，该叶轮具有以下技术和结构特点：1）采用先进的水力模型。结合了潜水推流器运行的实际情况，成功地运 用了螺旋桨推流技术，流体力学，水力学，并运用计算机进行了工况模拟设计， 经过反复的试验和改进最终定型，达到了推流效果好，水力效率高的要求。（2）玻璃钢材料是与其他传统材料相比具有
9、明显的优越性，其耐腐蚀性强， 综合机械强度高，而且密度比铝合金小，水阻较小，成型性能稳定，是叶轮制造 的不二选择。（3）玻璃钢叶轮不仅密度小，重量轻，甚至只有金属材料重量的1/3，而且 强度大，使受力结构得以改善，受力支承弯曲复合压力降低，为减速机构的微型 化和潜水推流器体积的缩小创造了先决条件。（4）整体式结构，模具化成型。传统的叶轮和轮毂是由螺纹机构联接的， 它们是分体的结构型式。玻璃钢叶轮则可以实现叶轮，轮毂整体式结构，达到一 体化成型的设计目的。在结构上，几何中心对称精密度高，具有较高的平衡度， 质量稳定，生产效率高7。一般来说，低速大直径的潜水推流器的叶片数量为 2 片，和其运作时的
10、水力 条件有很大的关联，由于转速较小，叶轮运行时转动较为缓慢，产生的轴向推力 较大，由于叶轮直径大，推力扩散的范围较大，能量传递过程较长，水流状态变 化较为缓慢，整个推流器工作时水流较高速推流器平缓。而高速小直径潜水推流 器的叶片数量较多，一般为 3 片。由于转速较高，若小直径高速推流器采用叶轮 为2 片，在电机高速旋转的过程中，2 片的叶轮旋转速度过快可能导致叶轮不稳 定性增加，长期工作可能出现的问题较多，增加了维修成本和不稳定的因素。而 3 片叶轮形态较为稳固，即使高速旋转稳定性高，非常适合高速推流器。 3.2潜水推流器减速机的选择减速机是潜水推进器的关键传动部件。由于潜水推进器的特殊使用
11、环境，对 减速机提出了较高的要求：结构紧凑、重量轻、震动小、噪音低、效率高、能耗 低。减速机的结构直接影响着潜水推进器的轴向尺寸，潜水推进器的轴向尺寸越 小，设备重心越靠近轴向力主支撑点，设备运行时产生的摆动就会越小，由此产 生的振动就越小。重量轻，便于设备的起吊搬运和日常维护。震动小、噪音低说 明设备的啮合适中、润滑好，利于提高设备的效率和延长设备的使用寿命8。就目前市场上的潜水推进器而言，其配套的减速机类型主要有摆线针轮减速 机和斜齿轮减速机两种。影响减速机机械性能的关键因素是齿轮，对潜水推进器 而言，选择强度高、韧性好、齿面硬度高的齿轮更能满足其使用要求。但现场使 用情况来看，只要减速机
12、的齿轮选材、热处理及加工精度、安装精度等几个质量 点能够控制得当，结构紧凑、简捷的二级斜齿轮减速机更便于使用与维护。3.3 潜水推流器基座的选择潜水推进器的基座是保障设备正常运行的核心辅助部件。通过对现场故障设 备的检查分析，很多设备都存在固定不牢靠的缺陷，在进行空负荷试车时会产生 较大的摆动和振动，从而引起设备运行时的受力不均衡，还会引起主机设备的联 结螺栓松动，导致设备密封破坏或者轴承、齿轮的损坏。现在，市场上经常使用 的潜水推进器基座主要有插槽定位单点支撑式、单管托架式、平板托架式悬臂坐 凳式，还有一种是最近两年才投放市场的床式V型锥吸震耦合基座。床式V型 锥吸震耦合基座的特殊结构可使潜
13、水推进器呈榫状被自动楔紧和自然夹固，实现 自动对中和就位、自动固定和夹紧定位。同时，V型块坡面设置橡胶减震垫，以 吸收振动，抵御冲击载荷，并自然调适设备的就位状态。从现场使用情况看，插槽定位单点支撑式和单管托架式基座减震效果最差， 且容易造成主机脱轨掉落，导致设备损坏。平板托架式、悬臂坐凳式基座虽然有 一定的减震效果，但主机仍易摆动，且机尾与导轨的磨损易导致导轨断裂。而床 式 V 型锥吸震耦合基座基本消除了上述缺陷，解决了振动和使用寿命短的技术 难题，可以满足现场使用。四、潜水推流器安装及作用范围4.1 潜水推流器的安装方式传统的潜水推流器大多数安装在污水处理工艺中的氧化沟中，根据氧化沟的 大
14、小和推流范围，安装要求不尽相同。为了能便捷的安装或拆卸，潜水推流器的 安装系统在无需排除池中污水的情况下进行安装，安装材质应采用不锈钢或碳钢 防腐材料。但是天然湖泊或湿地上，边界条件不同于传统潜水推流器安装的条件，湖底 全是淤泥，挡板和底座支架的安装固定有很大的难度，如果采用混凝土打桩的方 式，安装成本过高，花费过多的时间，因此可以采用浮筒形式安装潜水推流器。4.2 潜水推流器的安装深度潜水推流器的安装深度对后期所要进行的一系列水质监测有很大的影响，所 以潜水推流器安装深度的确定非常关键。潜水推流器在其安装的水平方向上推力 最大，所能推动的水流流速也最大，但是竖向范围内水流流速变化幅度很大，衰
15、 减较快，影响范围有限。水深对浮游生物的影响很大，宋书群等人9对长江口水 域浮游植物生物量的研究表明，在05m的水深处浮游植物生物量最多，而随着 水深的增加，浮游植物生物量逐渐减少，说明淡水区域中浮游植物主要集中在水 体表层，这与表层水温，阳光照射，透明度有直接关系。 4.3潜水推流器工作的有效范围潜水推流器主要功能之一是提升湖湾水体流速，加速湖湾水体循环。所以确 定潜水推流器的有效工作范围很有必要，为了防止湖湾出现“死水”或者流速较 小的情况，判断潜水推流器的运行效果是否明显，要对流速做出一个界定，以确 定推流器运行时对湖湾水质影响的有效范围。王红萍等人基于藻类生长动力学对汉江水华爆发的水文
16、因素研究表明，应用 连续流生物反应器原理和 Monod 方程，得到了反映汉江藻类浓度与水流速度的 指数关系的数学模型a=mexp (k/v)，提出了发生水华的警戒流速为0.225m/s。 而李飞鹏等人10对湖泊水体中水流流速对浮游藻类生长有明显的抑制作用研 究中，更为直观细致地揭示了流速对浮游生物的影响情况，通过叶绿素a的含量 来反映浮游植物的生物量及生长情况，研究表明流速0.06和0.10m/s时均对浮游 藻类的生长具有明显的抑制作用，相对于水流静止状态下叶绿素a含量整体低了 一半左右，说明在这两种流速下对浮游藻类的生长影响明显。两者同样是探求流 速对浮游生物量的影响，但是临界流速相差很大，分析其中的原因可能是由于研 究对象的差异，一个是流动性较大的河流水体，另一个是较为封闭的湖泊水体， 湖泊水体中浮游植物对于流速的敏感程度更高。另
