胡慶松,劉暢,楊性楷,王曼,陳雷雷

(1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院,上海201306;2.上海義民電機有限公司,上海201401)

池塘搖擺式水動力裝置的研發(fā)與試驗

胡慶松1,劉暢1,楊性楷2,王曼1,陳雷雷1

(1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院,上海201306;2.上海義民電機有限公司,上海201401)

為解決池塘增氧裝置水動力形成能力不足的問題,提出了一種新的設(shè)計方案。新設(shè)計基于雙向輸出傳動機構(gòu)原理,利用破水葉輪及空氣中低阻偏心塊的復(fù)合作用,在保障增氧能力的同時提升水動力影響范圍,并對該搖擺式水動力裝置在池塘的影響范圍和增氧能力進行了測試。結(jié)果表明:該裝置可以將水動力影響范圍提升至4670 m2以上,高于3 kW和1.5 kW的葉輪式增氧機;同時在1.5 kW能耗下增氧能力為2.67 kg/h,并能達到3 kW葉輪式增氧機的66.7%,符合國家標(biāo)準(zhǔn)中對于1.5 kW增氧機的增氧能力要求。研究表明,新裝置的水動力形成能力有明顯提升,能夠更好地解決池塘水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧過程中水體循環(huán)能力不足的問題。

水產(chǎn)養(yǎng)殖;增氧裝置;水動力;搖擺式;低阻偏心塊

目前,中國池塘養(yǎng)殖產(chǎn)量占水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量51.2%以上[1],高密度池塘養(yǎng)殖已成為中國水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要形式。但高密度養(yǎng)殖存在一個重要的問題就是養(yǎng)殖水體的清潔化處理。由于該處理能力不足,給湖泊、江河等水域環(huán)境造成了較大影響,限制了中國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展[2-3]。使用水質(zhì)改良劑等可有效調(diào)控池塘水質(zhì)[4-5],但從大范圍環(huán)境調(diào)控的角度不適宜采用;而增氧機、生物膜和生物絮團等水處理技術(shù)的出現(xiàn),為解決養(yǎng)殖池塘水體清潔化處理提供了良好的解決方案[6-10],其中,池塘水體的流動和上下交換是上述技術(shù)高效運作的基礎(chǔ)。

當(dāng)前,中國池塘養(yǎng)殖中常用的水動力形成裝置主要是增氧機,包括水車式、葉輪式和涌浪式等增氧設(shè)備[11]。單獨使用1.5 kW水車式或葉輪式增氧機時,增氧負擔(dān)水體面積約3330 m2,但其水動力影響范圍不足于此[12]。3 kW葉輪式增氧機在產(chǎn)量為500～800 kg/667 m2時負擔(dān)水體面積為4000～5330 m2,且只適用于水深為1 m以上的池塘,而在水深為1.5 m以內(nèi)能較好地進行上下水體交換的增氧機,在水平方向上的水動力影響范圍卻不足4000 m2[13]。1.5 kW涌浪式增氧機以大量水體形成水流,可產(chǎn)生直徑在120 m范圍內(nèi)的波浪,表層水動力影響范圍比水車式與葉輪式更廣,但其增氧能力只有1.77 kg/h[14]。

能耗對于增氧或者水動力裝置的應(yīng)用非常關(guān)鍵,現(xiàn)有裝置在增氧能力和水動力形成方面存在明顯差異。針對這一問題,本研究中設(shè)計了搖擺式水動力形成裝置,利用類似于葉輪式增氧機的提水破水葉輪,并結(jié)合空氣中低阻偏心塊所形成的涌浪式水動力形成效果,在保證增氧能力的前提下實現(xiàn)了較大范圍內(nèi)立體式水動力循環(huán),同時滿足了低功耗下增氧和形成水動力的復(fù)合式運行需求。

1 池塘搖擺式水動力裝置設(shè)計

1.1 裝置的總體結(jié)構(gòu)

池塘增氧裝置大多以電機帶動單向輸出軸的形式為主,裝置功率用于形成單一形式的機械運動,這種輸出方式無法滿足增氧和大范圍水動力形成的共同要求。本設(shè)計以保證增氧能力為前提,以常規(guī)的下減速箱與增氧葉輪為基本結(jié)構(gòu),在滿足增氧能力的同時保證上下水體的交換。在橫向水動力形成方面,涌浪式增氧機通過整個浮體旋轉(zhuǎn)共振產(chǎn)生波浪,在此方式下水體阻力較大,導(dǎo)致功耗較高?？紤]到電機與減速箱需垂直放置且有較大的自身慣性,需一個在水平面上能進行規(guī)律圓周變向的力矩以使整個裝置產(chǎn)生一定幅度的晃動,并結(jié)合封閉式浮體產(chǎn)生造浪效果。為融合實現(xiàn)上述兩個作用,本研究中對電機能量采用了上下兩軸輸出,將產(chǎn)生力矩的偏心塊通過連接桿與上輸出部的減速箱相連,偏心塊轉(zhuǎn)動帶動整個裝置產(chǎn)生規(guī)律性晃動。與水中產(chǎn)生偏振相比,空氣中阻力較小,偏心塊在上部做旋轉(zhuǎn)運動時功率小,可實現(xiàn)低功率下的復(fù)合式運行。

搖擺式水動力裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由偏心塊、上減速箱、1.5 kW電機、下減速箱、提水葉輪、連接桿、浮體等7部分組成。偏心塊與上減速箱的輸出軸相連接,提水葉輪由下減速箱的輸出軸驅(qū)動,偏心塊和提水葉輪與電機同向轉(zhuǎn)動。葉輪在提水、破水的同時偏心塊轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力與力矩,圓周變向的力矩可迫使裝置整體產(chǎn)生規(guī)律性晃動,浮體在此作用下進行搖擺,并在上層水體形成較大的波浪,將葉輪提升并曝氣的中下層水體以波浪的形式在上層水域展開,形成一個大范圍的立體式水動力循環(huán)。

圖1 搖擺式水動力裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of an oscillating water agitation equipment

1.2 雙向輸出傳動機構(gòu)設(shè)計

1.2.1 減速箱設(shè)計 本研究中所設(shè)計的水動力裝置采用上下雙輸出結(jié)構(gòu),并根據(jù)葉輪和偏心塊的轉(zhuǎn)速需求設(shè)計了不同的減速比。上、下減速箱如圖2和圖3所示。

上減速箱全部采用壓力角a=20°、模數(shù)m=2的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪參數(shù),齒輪箱的減速比i1= (z1·z4)/(z2·z3)=7∶176,電機的轉(zhuǎn)速為1450 r/min,與輸出軸相連接的偏心塊的轉(zhuǎn)速為58 r/min。因為下齒輪箱要承受一定的軸向載荷,優(yōu)化選擇后,下減速箱的1級減速齒輪采用壓力角a=20°、螺旋角β=9°、模數(shù)m=2的標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪,2級減速齒輪采用壓力角a=20°、螺旋角β=9°、模數(shù)m=2.5的標(biāo)準(zhǔn)圓柱斜齒齒輪參數(shù),減速比i2=(z1·z3)/(z2·z4)=26∶265,與輸出軸相連接的提水葉輪轉(zhuǎn)速為143 r/min。

圖2 上減速箱Fig.2 Top speed reducer gearbox

圖3 下減速箱Fig.3 Low speed reducer gearbox

1.2.2 偏心機構(gòu)設(shè)計 偏心塊的結(jié)構(gòu)主要由連接桿、偏心塊上蓋、偏心塊筒體3部分組成,如圖4所示。

若配標(biāo)準(zhǔn)mg=10 kg的鉛塊,當(dāng)以58 r/min的速度轉(zhuǎn)動時,偏心塊產(chǎn)生的離心力F1=mw2L1= 3.55(N),離心力F1產(chǎn)生的力矩M1=F1·L2= 1.65(N·m),偏心塊自重產(chǎn)生的力矩M2=mg·L1=38(N·m),兩個力矩的方向均為順時針,產(chǎn)生的總力矩M=M1+M2=39.65(N·m),計算和測試均表明,此力矩可使質(zhì)量約45 kg的裝置產(chǎn)生合理的傾斜,結(jié)合旋轉(zhuǎn)運動可使浮體在水面上連續(xù)晃動并產(chǎn)生波浪,以達到較好的效果。

圖4 偏心機構(gòu)Fig.4 Eccentric mechanism

1.2.3 提水葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 提水葉輪的設(shè)計借鑒了傳統(tǒng)葉輪式增氧機葉輪的功能,并考慮到提水和破水效能進行了改進。本研究中,采用主體加8個獨立葉片的設(shè)計,每個葉片下半部分成50°角傾斜,上半部分成40°傾斜。葉輪在旋轉(zhuǎn)時可在正下方形成一個負壓區(qū)域,中下層水體可不斷被提起,并被上半部葉片拋擲離水面50～70 cm處,同時,水體被葉片上的曝氣孔破開增氧。因此,葉輪不會在工作區(qū)域下方形成較強的螺旋水流,在較淺的池塘使用時也不會攪起池底污泥(圖5)。

圖5 提水葉輪結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of a water lifting impeller

1.3 裝置動力設(shè)計

裝置的主要功率消耗為提水葉輪和低阻偏心塊的旋轉(zhuǎn)運動。葉輪在水中做旋轉(zhuǎn)運動的阻力可以看作為葉輪在垂直于速度方向上投影面積所受的阻力,每片葉輪在旋轉(zhuǎn)1周時所推開水的體積V=vts,推開水的質(zhì)量m=ρ×V,每片葉輪受的阻力為

其中:v為葉輪的線速度(m/s);t為單片葉輪旋轉(zhuǎn)1周所需的時間(s);ρ為水的密度(kg/m3); s為葉片在垂直與速度方向上的投影面積(m2)。

代入數(shù)據(jù)得,每1片葉輪受的阻力約為10 N。提水葉輪所受的總力矩為

所需的功率為

低阻偏心塊的消耗功率為

其中:w為偏心塊的角速度(r/min);t1為偏心塊從啟動到勻速轉(zhuǎn)動所需的時間(s);代入數(shù)據(jù)得P2=0.362 kW,所以所需的總功率P總=P1+P2= 0.921(kW)。

2級圓柱齒輪減速箱的傳遞效率約為95%,2級圓柱斜齒減速箱的傳遞效率約為94%,估算電機的額定輸出功率為1.5×0.95×0.94=1.34 (kW),大于0.921 kW,可知電機的額定輸出功率可滿足設(shè)備所需功率。

2 現(xiàn)場試驗及分析

2.1 試驗裝置和池塘條件

本次試驗所用的主要裝置包括:DOS-600數(shù)字溶解氧傳感器、LS300-A型流速測算儀、數(shù)據(jù)采集電腦系統(tǒng)、標(biāo)尺桿、定制移動式浮體、鉗形電表、伸縮桿。試驗選擇在上海市海鋒水產(chǎn)養(yǎng)殖合作社標(biāo)準(zhǔn)池塘(105 m×40 m×1.2 m)進行,因要測量增氧效果,試驗時間選在池塘溶氧值最低的清晨5:00進行,試驗時的天氣為多云無風(fēng),室外溫度為29℃,水溫為23℃。

2.2 試驗方法

試驗計劃測試的參數(shù)有:裝置的實際功率、一定范圍內(nèi)的流速、池塘表面產(chǎn)生波浪和池塘水體溶解氧變化情況。對試驗結(jié)果的評價采用與葉輪式增氧機對比性能參數(shù)的方法。

將搖擺式水動力裝置(1.5 kW)和葉輪式增氧機(3 kW)分別放于兩個標(biāo)準(zhǔn)池塘的幾何中心位置,因為產(chǎn)生的水動力范圍是一個以裝置為中心的圓周區(qū)域,所以可以在池塘的二分之一長度方向上(52.5 m)進行采點取值(最后一個點取在岸邊)。

2.3 測試結(jié)果

裝置開機并達穩(wěn)定運行狀態(tài)后,用鉗形電表測量其實際電壓與電流,測得I實=2.2 A,U實=380 V,則交流電機的實際輸出功率為

計算得P實=1.16 kW,即實際裝置的功率稍大于預(yù)估的消耗功率P總,小于電機的額定輸出功率1.34 kW,在可接受的范圍內(nèi)。

試驗中,水面上每間隔5 m取1個點來測量水面流速,水下30 cm處每間隔2 m的方式取點進行流速測量。測得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水面和中上層的平均流速Tab.1 Average flow velocity of surface,upper and middle water layerscm/s

用標(biāo)桿法測量浪高時,同樣在長度方向上以每5 m取一個點,將值為0的點作為最后一個測量點,測得數(shù)據(jù)如表2所示。

由于養(yǎng)殖池塘表層水體因光合作用容易達到溶解氧的飽和值,本次溶氧值的采集在水下50 cm處的中層水體處進行。兩個試驗塘在試驗前的一晚都不開增氧機,且塘內(nèi)試驗時均僅有少量南美白對蝦,兩個試驗塘的條件相同。從池塘氧含量最低的凌晨5:00開始試驗,分別將兩個溶氧傳感器固定在定制的移動式浮體上,并用牽引繩綁在浮體兩側(cè)。將浮體置于離試驗裝置10 m處,一端牽引傳感器信號線至岸邊,信號線接入電腦進行采集。延長度方向上取距離增氧機10 m的位置采點,每個點上采15組數(shù)據(jù),每次間隔5 min,測得數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 水面浪高Tab.2 Wave height at surface watermm

表3 中層水的溶氧值Tab.3 The dissolved oxygen value in middle water layersmg/L

3 討論

3.1 水動力形成分析

對表1測試數(shù)據(jù)進行整理,得出水面流速折線圖(圖6)。本試驗中,用3 kW葉輪式增氧機作為對照,由圖6可知,在距離裝置5～25 m處,3 kW葉輪式增氧機在池塘水表面產(chǎn)生的流速高于搖擺式水動力裝置,在25 m處兩裝置產(chǎn)生的流速均為3 cm/s,在25.0～52.5 m處出葉輪式增氧機產(chǎn)生的流速呈較快下降趨勢,基本在50 m處流速為0,而在52.5 m處的岸邊,搖擺式水動力裝置產(chǎn)生的流速仍為2.2 cm/s。從整體分析,雖然3 kW的葉輪式增氧機在半徑為5 m的核心區(qū)域處能產(chǎn)生較大的水面流速,但其流速在橫向上衰減較快,而搖擺式水動力裝置能產(chǎn)生一個穩(wěn)定且衰減緩慢的水流。

圖6 水面平均流速Fig.6 Average flow velocity of surface water

由表1測試數(shù)據(jù),還可得出中上層平均流速折線圖(圖7)。兩裝置均能在中上層水域產(chǎn)生一定的流速,在距離裝置2～5 m處,3 kW的葉輪式增氧機功率較大,在以半徑為4 m范圍內(nèi)的垂直方向產(chǎn)生的負壓較大,提水能力較強,產(chǎn)生流速與搖擺式裝置相比較高。在距離裝置5 m以后,由于搖擺式裝置能利用浮體的晃動作用將葉輪提起的水在中上層以波浪的形式涌出,產(chǎn)生的水流在中上層衰減較慢,在距離裝置16 m處中上層水流速度衰減為0,而葉輪式增氧機則在12 m處水流速度衰減為0。由此可知,搖擺式裝置在中上層產(chǎn)生的水動力范圍更廣。

圖7 中上層平均流速Fig.7 Average flow velocity of upper and middle aqueous layer

對表2測試數(shù)據(jù)進行整理,得出水面浪高折線圖(圖8)。池塘表面涌浪的高度和范圍可直接反映出水動力裝置產(chǎn)生的效果,測量了在1.5 kW搖擺式裝置和3 kW葉輪式增氧機作用下產(chǎn)生的浪高,并將其與1.5 kW的葉輪式增氧機產(chǎn)生的浪高進行對比。

圖8 水面浪高Fig.8 Wave height of surface

根據(jù)現(xiàn)場觀察,3 kW葉輪式增氧機能產(chǎn)生一個規(guī)律且較為集中的浪花,在直徑為6～8 m的圓周范圍內(nèi),同時形成一個直徑約20 m的核心增氧區(qū)域,在此區(qū)域內(nèi)增氧效果較為明顯。搖擺式裝置產(chǎn)生的浪花在直徑4～5 m的圓周范圍內(nèi)且呈不規(guī)律狀,浪花未有明顯的中心位置,未有3 kW葉輪式增氧機那樣大的一個核心增氧區(qū)域。1.5 kW的葉輪式增氧機的浪花與搖擺式裝置大小相近,能形成一個小范圍的核心增氧區(qū)域(圖9～圖11)。

測試結(jié)果表明,雖然3 kW葉輪式增氧產(chǎn)生的浪花范圍較大,但是涌浪效果不明顯。在距離裝置5～20 m的范圍內(nèi)產(chǎn)生的浪高從30 mm逐漸衰減到20 mm,核心增氧區(qū)以外20～45 m處浪高以較快的速度從20 mm衰減為0。搖擺式裝置產(chǎn)生的浪高從距離其5 m處的32 mm緩慢衰減到岸邊(52.5 m處)的17 mm,而17 mm浪高僅出現(xiàn)在距離3 kW葉輪式增氧機約27 m的地方。由于池塘范圍限制,通過衰減趨勢估算在距離搖擺式裝置約70 m處浪高衰減為0。

由以上分析可知,搖擺式水動力裝置可在池塘表面將葉輪提起的水通過浮體的擺動以波浪形式延展至距離裝置大約70 m處,且形成一定速度的水流,也能在中上層(水下30 cm處)2～16 m處形成水體的流動,保證了在上中下層水體交換的同時,池塘表面有大范圍的水動力形成,實現(xiàn)了立體式的水體循環(huán);3 kW的葉輪式增氧機雖然在近距離內(nèi)能有效地進行上下水體的交換并產(chǎn)生理想的水動力效果,但在核心增氧區(qū)以外的水動力效果衰減明顯,水動力影響范圍要小于搖擺式水動力裝置。同等能耗下,1.5 kW搖擺式水動力裝置的水動力效果明顯好于1.5 kW的葉輪式增氧機。

圖9 搖擺式水動力裝置水花效果Fig.9 Spray effect of oscillating water agitation equipment

圖10 3 kW葉輪式增氧機水花效果Fig.10 Spray effect of 3 kW impeller aeration equipment

圖11 1.5 kW葉輪式增氧機水花效果Fig.11 Spray effect of 1.5 kW impeller aeration equipment

3.2 增氧能力分析

由表3測試數(shù)據(jù)得出溶氧值對照圖(圖12)。剛開機5 min時,試驗塘的溶氧值為6.7 mg/L,高于對照塘(6.5 mg/L)。開機30 min后兩個池塘在測量點上的溶氧值基本持平,35 min到測試結(jié)束時對照塘的溶氧值始終高于試驗塘。由此可知,3 kW增氧機的增氧效果要好于1.5 kW搖擺式水動力裝置。為衡量搖擺式水動力裝置的增氧能力,參照國家標(biāo)準(zhǔn)增氧能力計算方法進行了初步測算。

首先計算任意水溫下的氧轉(zhuǎn)移系數(shù):

其中:KLa(T)為任意水溫下的氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)(h-1);C1、Cn分別為t1、tn時測量的溶解氧值(mg/L);t1、tn分別為測量C1、Cn的時間讀數(shù)(min);CS為試驗用水飽和溶解氧值(mg/L);T為試驗水溫(23℃)。

為了計算的準(zhǔn)確性,此處將任意溫度下的溶解氧轉(zhuǎn)移系數(shù)換算成20℃水溫下的溶解氧系數(shù):

圖12 中層的溶氧值Fig.12 Dissolved oxygen value of middle water layer

裝置的增氧能力為

其中,V為試驗水體的體積(L)。

此處CS取水溫20℃時的飽和溶解氧值,為9.17 mg/L。最終得增氧能力計算公式[15-16]為

代入實測參數(shù),得3 kW葉輪式增氧機的增氧能力約4 kg/h,而1.5 kW的搖擺式水動力裝置的增氧能力約2.67 kg/h。在本次測試中,功耗為1.5 kW的搖擺式水動力裝置的增氧能力可達到3 kW葉輪式增氧機的66.7%。根據(jù)水產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《葉輪式增氧機技術(shù)條件》(SC/T 6010—2001)規(guī)定,葉輪式增氧機在規(guī)定功耗為1.5 kW時增氧能力應(yīng)大于2.3 kg/h,通過測試得出1.5 kW的搖擺式水動力裝置可以滿足此標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)國家漁業(yè)機械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心實驗室實測數(shù)據(jù),1.5 kW水車式增氧機的增氧能力實測值為1.83～2.77 kg/h[17],實際測得本研究中設(shè)計的池塘搖擺式水動力裝置的增氧能力約2.67 kg/h,高于現(xiàn)有的常規(guī)增氧裝置。

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Design and experiment of oscillating water agitation equipment in aquaculture ponds

HU Qing-song1,LIU Chang1,YANG Xing-kai2,WANG Man1,CHEN Lei-lei1
(1.College of Engineering Science&Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2.Shanghai Yimin Motor Company limited, LTD,Shanghai 201401,China)

In aquaculture ponds,water flow stream is important for water purification and improvement of water quality.In this paper,new water agitation equipment is designed based on bidirectional output transmission gears, effective utilization of water broken impeller and low resistance eccentric block in air to improve the water agitation scope and to maintain oxygenation ability.The test of influence scope and oxygenation ability of the oscillating water agitation equipment in a pond showed that the water flow stream scope was improved to 4670 m2,higher than that of the 3 kW and 1.5 kW impeller aerators,with oxygenation capacity of 2.67 kg/h,which reaches 66.7%of the ability of 3 kW impeller aerators and meets the requirement of the national standard.The findings indicate that the agitation ability of the new designed equipment is improved dramatically,and that better solves the water recycle capability deficiency in the oxygenation process in aquaculture ponds.

aquaculture;oxygenation equipment;water agitation;oscillating;low resistance eccentric block

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.02.017

2095-1388(2017)02-0224-07

S969

:A

2016-11-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(51309150);上海市科技興農(nóng)推廣項目(2016-1-6-4)

胡慶松(1979—),男,副教授,博士。E-mail:qshu@shou.edu.cn