图1 摇摆式水动力装置总体结构
Fig.1 General structure of an oscillating water agitation equipment
摘要：为解决池塘增氧装置水动力形成能力不足的问题,提出了一种新的设计方案。新设计基于双向输出传动机构原理,利用破水叶轮及空气中低阻偏心块的复合作用,在保障增氧能力的同时提升水动力影响范围,并对该摇摆式水动力装置在池塘的影响范围和增氧能力进行了测试。结果表明:该装置可以将水动力影响范围提升至4670 m2以上,高于3 kW和1.5 kW的叶轮式增氧机;同时在1.5 kW能耗下增氧能力为2.67 kg/h,并能达到3 kW叶轮式增氧机的66.7%,符合国家标准中对于1.5 kW增氧机的增氧能力要求。研究表明,新装置的水动力形成能力有明显提升,能够更好地解决池塘水产养殖增氧过程中水体循环能力不足的问题。
关键词：水产养殖;增氧装置;水动力;摇摆式;低阻偏心块
目前,中国池塘养殖产量占水产养殖总产量51.2%以上[1],高密度池塘养殖已成为中国水产养殖的主要形式。但高密度养殖存在一个重要的问题就是养殖水体的清洁化处理。由于该处理能力不足,给湖泊、江河等水域环境造成了较大影响,限制了中国水产养殖业的可持续性发展[2-3]。使用水质改良剂等可有效调控池塘水质[4-5],但从大范围环境调控的角度不适宜采用;而增氧机、生物膜和生物絮团等水处理技术的出现,为解决养殖池塘水体清洁化处理提供了良好的解决方案[6-10],其中,池塘水体的流动和上下交换是上述技术高效运作的基础。
当前,中国池塘养殖中常用的水动力形成装置主要是增氧机,包括水车式、叶轮式和涌浪式等增氧设备[11]。单独使用1.5 kW水车式或叶轮式增氧机时,增氧负担水体面积约3330 m2,但其水动力影响范围不足于此[12]。3 kW叶轮式增氧机在产量为500～800 kg/667 m2时负担水体面积为4000～5330 m2,且只适用于水深为1 m以上的池塘,而在水深为1.5 m以内能较好地进行上下水体交换的增氧机,在水平方向上的水动力影响范围却不足4000 m2[13]。1.5 kW涌浪式增氧机以大量水体形成水流,可产生直径在120 m范围内的波浪,表层水动力影响范围比水车式与叶轮式更广,但其增氧能力只有1.77 kg/h[14]。
能耗对于增氧或者水动力装置的应用非常关键,现有装置在增氧能力和水动力形成方面存在明显差异。针对这一问题,本研究中设计了摇摆式水动力形成装置,利用类似于叶轮式增氧机的提水破水叶轮,并结合空气中低阻偏心块所形成的涌浪式水动力形成效果,在保证增氧能力的前提下实现了较大范围内立体式水动力循环,同时满足了低功耗下增氧和形成水动力的复合式运行需求。
1.1 装置的总体结构
池塘增氧装置大多以电机带动单向输出轴的形式为主,装置功率用于形成单一形式的机械运动,这种输出方式无法满足增氧和大范围水动力形成的共同要求。本设计以保证增氧能力为前提,以常规的下减速箱与增氧叶轮为基本结构,在满足增氧能力的同时保证上下水体的交换。在横向水动力形成方面,涌浪式增氧机通过整个浮体旋转共振产生波浪,在此方式下水体阻力较大,导致功耗较高。考虑到电机与减速箱需垂直放置且有较大的自身惯性,需一个在水平面上能进行规律圆周变向的力矩以使整个装置产生一定幅度的晃动,并结合封闭式浮体产生造浪效果。为融合实现上述两个作用,本研究中对电机能量采用了上下两轴输出,将产生力矩的偏心块通过连接杆与上输出部的减速箱相连,偏心块转动带动整个装置产生规律性晃动。与水中产生偏振相比,空气中阻力较小,偏心块在上部做旋转运动时功率小,可实现低功率下的复合式运行。
摇摆式水动力装置的整体结构如图1所示,主要由偏心块、上减速箱、1.5 kW电机、下减速箱、提水叶轮、连接杆、浮体等7部分组成。偏心块与上减速箱的输出轴相连接,提水叶轮由下减速箱的输出轴驱动,偏心块和提水叶轮与电机同向转动。叶轮在提水、破水的同时偏心块转动产生离心力与力矩,圆周变向的力矩可迫使装置整体产生规律性晃动,浮体在此作用下进行摇摆,并在上层水体形成较大的波浪,将叶轮提升并曝气的中下层水体以波浪的形式在上层水域展开,形成一个大范围的立体式水动力循环。
图1 摇摆式水动力装置总体结构
Fig.1 General structure of an oscillating water agitation equipment
1.2 双向输出传动机构设计
1.2.1 减速箱设计 本研究中所设计的水动力装置采用上下双输出结构,并根据叶轮和偏心块的转速需求设计了不同的减速比。上、下减速箱如图2和图3所示。
上减速箱全部采用压力角a=20°、模数m=2的标准直齿圆柱齿轮参数,齿轮箱的减速比i1= (z1·z4)/(z2·z3)=7∶176,电机的转速为1450 r/min,与输出轴相连接的偏心块的转速为58 r/min。因为下齿轮箱要承受一定的轴向载荷,优化选择后,下减速箱的1级减速齿轮采用压力角a=20°、螺旋角β=9°、模数m=2的标准斜齿圆柱齿轮,2级减速齿轮采用压力角a=20°、螺旋角β=9°、模数m=2.5的标准圆柱斜齿齿轮参数,减速比i2=(z1·z3)/(z2·z4)=26∶265,与输出轴相连接的提水叶轮转速为143 r/min。
图2 上减速箱
Fig.2 Top speed reducer gearbox
图3 下减速箱
Fig.3 Low speed reducer gearbox
1.2.2 偏心机构设计 偏心块的结构主要由连接杆、偏心块上盖、偏心块筒体3部分组成,如图4所示。
若配标准mg=10 kg的铅块,当以58 r/min的速度转动时,偏心块产生的离心力F1=mw2L1= 3.55(N),离心力F1产生的力矩M1=F1·L2= 1.65(N·m),偏心块自重产生的力矩M2=mg·L1=38(N·m),两个力矩的方向均为顺时针,产生的总力矩M=M1+M2=39.65(N·m),计算和测试均表明,此力矩可使质量约45 kg的装置产生合理的倾斜,结合旋转运动可使浮体在水面上连续晃动并产生波浪,以达到较好的效果。
图4 偏心机构
Fig.4 Eccentric mechanism
1.2.3 提水叶轮的结构设计 提水叶轮的设计借鉴了传统叶轮式增氧机叶轮的功能,并考虑到提水和破水效能进行了改进。本研究中,采用主体加8个独立叶片的设计,每个叶片下半部分成50°角倾斜,上半部分成40°倾斜。叶轮在旋转时可在正下方形成一个负压区域,中下层水体可不断被提起,并被上半部叶片抛掷离水面50～70 cm处,同时,水体被叶片上的曝气孔破开增氧。因此,叶轮不会在工作区域下方形成较强的螺旋水流,在较浅的池塘使用时也不会搅起池底污泥(图5)。
图5 提水叶轮结构
Fig.5 The structure of a water lifting impeller
1.3 装置动力设计
装置的主要功率消耗为提水叶轮和低阻偏心块的旋转运动。叶轮在水中做旋转运动的阻力可以看作为叶轮在垂直于速度方向上投影面积所受的阻力,每片叶轮在旋转1周时所推开水的体积V=vts,推开水的质量m=ρ×V,每片叶轮受的阻力为
其中:v为叶轮的线速度(m/s);t为单片叶轮旋转1周所需的时间(s);ρ为水的密度(kg/m3); s为叶片在垂直与速度方向上的投影面积(m2)。
代入数据得,每1片叶轮受的阻力约为10 N。提水叶轮所受的总力矩为
所需的功率为
低阻偏心块的消耗功率为
其中:w为偏心块的角速度(r/min);t1为偏心块从启动到匀速转动所需的时间(s);代入数据得P2=0.362 kW,所以所需的总功率P总=P1+P2= 0.921(kW)。
2级圆柱齿轮减速箱的传递效率约为95%,2级圆柱斜齿减速箱的传递效率约为94%,估算电机的额定输出功率为1.5×0.95×0.94=1.34 (kW),大于0.921 kW,可知电机的额定输出功率可满足设备所需功率。
2.1 试验装置和池塘条件
本次试验所用的主要装置包括:DOS-600数字溶解氧传感器、LS300-A型流速测算仪、数据采集电脑系统、标尺杆、定制移动式浮体、钳形电表、伸缩杆。试验选择在上海市海锋水产养殖合作社标准池塘(105 m×40 m×1.2 m)进行,因要测量增氧效果,试验时间选在池塘溶氧值最低的清晨5:00进行,试验时的天气为多云无风,室外温度为29℃,水温为23℃。
2.2 试验方法
试验计划测试的参数有:装置的实际功率、一定范围内的流速、池塘表面产生波浪和池塘水体溶解氧变化情况。对试验结果的评价采用与叶轮式增氧机对比性能参数的方法。
将摇摆式水动力装置(1.5 kW)和叶轮式增氧机(3 kW)分别放于两个标准池塘的几何中心位置,因为产生的水动力范围是一个以装置为中心的圆周区域,所以可以在池塘的二分之一长度方向上(52.5 m)进行采点取值(最后一个点取在岸边)。
2.3 测试结果
装置开机并达稳定运行状态后,用钳形电表测量其实际电压与电流,测得I实=2.2 A,U实=380 V,则交流电机的实际输出功率为
计算得P实=1.16 kW,即实际装置的功率稍大于预估的消耗功率P总,小于电机的额定输出功率1.34 kW,在可接受的范围内。
试验中,水面上每间隔5 m取1个点来测量水面流速,水下30 cm处每间隔2 m的方式取点进行流速测量。测得数据如表1所示。
表1 水面和中上层的平均流速
Tab.1 Average flow velocity of surface,upper and middle water layerscm/s
水面中上层试验号upper and middle water layers摇摆式oscillating surface No.叶轮式impeller摇摆式oscillating叶轮式impeller 14.35.12.83.0 23.94.62.32.4 33.63.82.11.6 43.43.51.81.1 53.03.01.50.6 62.82.21.10 72.71.90.70 82.51.000 92.40.800 102.3000 112.20
用标杆法测量浪高时,同样在长度方向上以每5 m取一个点,将值为0的点作为最后一个测量点,测得数据如表2所示。
由于养殖池塘表层水体因光合作用容易达到溶解氧的饱和值,本次溶氧值的采集在水下50 cm处的中层水体处进行。两个试验塘在试验前的一晚都不开增氧机,且塘内试验时均仅有少量南美白对虾,两个试验塘的条件相同。从池塘氧含量最低的凌晨5:00开始试验,分别将两个溶氧传感器固定在定制的移动式浮体上,并用牵引绳绑在浮体两侧。将浮体置于离试验装置10 m处,一端牵引传感器信号线至岸边,信号线接入电脑进行采集。延长度方向上取距离增氧机10 m的位置采点,每个点上采15组数据,每次间隔5 min,测得数据如表3所示。
表2 水面浪高
Tab.2 Wave height at surface watermm
试验号No.摇摆式oscillating叶轮式impeller 3230 2 2927 3 2724 4 2620 5 2415 6 239 7 215 8 193 9 180 10170 1 11170
表3 中层水的溶氧值
Tab.3 The dissolved oxygen value in middle water layersmg/L
试验号No.摇摆式oscillating叶轮式impeller 6.76.5 2 6.86.6 3 6.86.8 4 6.96.9 5 7.17.2 6 7.37.3 7 7.47.5 8 7.47.5 9 7.67.6 107.87.9 117.98.0 128.08.1 138.28.3 148.38.4 1 158.48.6
3.1 水动力形成分析
对表1测试数据进行整理,得出水面流速折线图(图6)。本试验中,用3 kW叶轮式增氧机作为对照,由图6可知,在距离装置5～25 m处,3 kW叶轮式增氧机在池塘水表面产生的流速高于摇摆式水动力装置,在25 m处两装置产生的流速均为3 cm/s,在25.0～52.5 m处出叶轮式增氧机产生的流速呈较快下降趋势,基本在50 m处流速为0,而在52.5 m处的岸边,摇摆式水动力装置产生的流速仍为2.2 cm/s。从整体分析,虽然3 kW的叶轮式增氧机在半径为5 m的核心区域处能产生较大的水面流速,但其流速在横向上衰减较快,而摇摆式水动力装置能产生一个稳定且衰减缓慢的水流。
图6 水面平均流速
Fig.6 Average flow velocity of surface water
由表1测试数据,还可得出中上层平均流速折线图(图7)。两装置均能在中上层水域产生一定的流速,在距离装置2～5 m处,3 kW的叶轮式增氧机功率较大,在以半径为4 m范围内的垂直方向产生的负压较大,提水能力较强,产生流速与摇摆式装置相比较高。在距离装置5 m以后,由于摇摆式装置能利用浮体的晃动作用将叶轮提起的水在中上层以波浪的形式涌出,产生的水流在中上层衰减较慢,在距离装置16 m处中上层水流速度衰减为0,而叶轮式增氧机则在12 m处水流速度衰减为0。由此可知,摇摆式装置在中上层产生的水动力范围更广。
图7 中上层平均流速
Fig.7 Average flow velocity of upper and middle aqueous layer
对表2测试数据进行整理,得出水面浪高折线图(图8)。池塘表面涌浪的高度和范围可直接反映出水动力装置产生的效果,测量了在1.5 kW摇摆式装置和3 kW叶轮式增氧机作用下产生的浪高,并将其与1.5 kW的叶轮式增氧机产生的浪高进行对比。
图8 水面浪高
Fig.8 Wave height of surface
根据现场观察,3 kW叶轮式增氧机能产生一个规律且较为集中的浪花,在直径为6～8 m的圆周范围内,同时形成一个直径约20 m的核心增氧区域,在此区域内增氧效果较为明显。摇摆式装置产生的浪花在直径4～5 m的圆周范围内且呈不规律状,浪花未有明显的中心位置,未有3 kW叶轮式增氧机那样大的一个核心增氧区域。1.5 kW的叶轮式增氧机的浪花与摇摆式装置大小相近,能形成一个小范围的核心增氧区域(图9～图11)。
测试结果表明,虽然3 kW叶轮式增氧产生的浪花范围较大,但是涌浪效果不明显。在距离装置5～20 m的范围内产生的浪高从30 mm逐渐衰减到20 mm,核心增氧区以外20～45 m处浪高以较快的速度从20 mm衰减为0。摇摆式装置产生的浪高从距离其5 m处的32 mm缓慢衰减到岸边(52.5 m处)的17 mm,而17 mm浪高仅出现在距离3 kW叶轮式增氧机约27 m的地方。由于池塘范围限制,通过衰减趋势估算在距离摇摆式装置约70 m处浪高衰减为0。
由以上分析可知,摇摆式水动力装置可在池塘表面将叶轮提起的水通过浮体的摆动以波浪形式延展至距离装置大约70 m处,且形成一定速度的水流,也能在中上层(水下30 cm处)2～16 m处形成水体的流动,保证了在上中下层水体交换的同时,池塘表面有大范围的水动力形成,实现了立体式的水体循环;3 kW的叶轮式增氧机虽然在近距离内能有效地进行上下水体的交换并产生理想的水动力效果,但在核心增氧区以外的水动力效果衰减明显,水动力影响范围要小于摇摆式水动力装置。同等能耗下,1.5 kW摇摆式水动力装置的水动力效果明显好于1.5 kW的叶轮式增氧机。
图9 摇摆式水动力装置水花效果
Fig.9 Spray effect of oscillating water agitation equipment
图10 3 kW叶轮式增氧机水花效果
Fig.10 Spray effect of 3 kW impeller aeration equipment
图11 1.5 kW叶轮式增氧机水花效果
Fig.11 Spray effect of 1.5 kW impeller aeration equipment
3.2 增氧能力分析
由表3测试数据得出溶氧值对照图(图12)。刚开机5 min时,试验塘的溶氧值为6.7 mg/L,高于对照塘(6.5 mg/L)。开机30 min后两个池塘在测量点上的溶氧值基本持平,35 min到测试结束时对照塘的溶氧值始终高于试验塘。由此可知,3 kW增氧机的增氧效果要好于1.5 kW摇摆式水动力装置。为衡量摇摆式水动力装置的增氧能力,参照国家标准增氧能力计算方法进行了初步测算。
首先计算任意水温下的氧转移系数:
其中:KLa(T)为任意水温下的氧质量转移系数(h-1);C1、Cn分别为t1、tn时测量的溶解氧值(mg/L);t1、tn分别为测量C1、Cn的时间读数(min);CS为试验用水饱和溶解氧值(mg/L);T为试验水温(23℃)。
为了计算的准确性,此处将任意温度下的溶解氧转移系数换算成20℃水温下的溶解氧系数:
图12 中层的溶氧值
Fig.12 Dissolved oxygen value of middle water layer
装置的增氧能力为
其中,V为试验水体的体积(L)。
此处CS取水温20℃时的饱和溶解氧值,为9.17 mg/L。最终得增氧能力计算公式[15-16]为
代入实测参数,得3 kW叶轮式增氧机的增氧能力约4 kg/h,而1.5 kW的摇摆式水动力装置的增氧能力约2.67 kg/h。在本次测试中,功耗为1.5 kW的摇摆式水动力装置的增氧能力可达到3 kW叶轮式增氧机的66.7%。根据水产行业标准《叶轮式增氧机技术条件》(SC/T 6010—2001)规定,叶轮式增氧机在规定功耗为1.5 kW时增氧能力应大于2.3 kg/h,通过测试得出1.5 kW的摇摆式水动力装置可以满足此标准要求。根据国家渔业机械仪器质量监督检验中心实验室实测数据,1.5 kW水车式增氧机的增氧能力实测值为1.83～2.77 kg/h[17],实际测得本研究中设计的池塘摇摆式水动力装置的增氧能力约2.67 kg/h,高于现有的常规增氧装置。
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Design and experiment of oscillating water agitation equipment in aquaculture ponds
Abstract：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.
Key words：aquaculture;oxygenation equipment;water agitation;oscillating;low resistance eccentric block
DOI：10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.02.017
文章编号：2095-1388(2017)02-0224-07
中图分类号：S969
文献标志码：:A
收稿日期：2016-11-21
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51309150);上海市科技兴农推广项目(2016-1-6-4)