CN113697971A - 一种潜水曝气机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种潜水曝气机，属于污水处理设备技术领域，针对目前的潜水曝气机所存在的问题，对其进行的改进包括：①对叶轮的子午流面与回转面重新设计，在现有的框体下确定出最优的叶轮叶型，以提高曝气机的曝气面积和空气摄入量。②在不影响叶轮的工作效率的提前下，减小叶轮的轴向投影面，减少叶轮的重量，以降低电机功率。③对整机各结构部件与叶轮的结构进行优化和约束，保证叶轮的曝气机的曝气面积和空气摄入量处于现有框体最优。另外也对本发明也对控制方法进行了改进，具有更加节能的效果。
Description
技术领域
本发明属于污水处理设备技术领域，具体涉及一种潜水曝气机。
背景技术
随着工业化和城市化进程的推进，我国面临着水资源短缺和水体污染两大问题。污水处理设备能够有效弥补人民生活和工业生产带来的水污染问题，从而改善河流、湖泊的生态环境以及居民的生活环境。曝气机是污水处理设备的重要组成部分，通过向污水中注入空气，加强污水中有机物、微生物和溶解氧三者的接触，促进微生物有氧呼吸以分解污水池内的有机物，使之无机化，从而到达净化水质的目的。
目前专利性产品有40多个，如：泵型叶轮表面曝气机、OZBG复叶式节能曝气机、大功率倒伞曝气机和转刷曝气机、表面曝气机、螺旋桨式曝气机、潜水曝气机、导流式曝气机、转刷曝气机、增压式曝气机等等。其中潜水曝气机具有结构简单、充氧能力强、动力效率高等众多优点，因此成为污水处理厂常用的表面曝气设备。
潜水曝气机具有结构简单、充氧能力强、动力效率高等众多优点，因此成为污水处理厂常用的表面曝气设备，工作的时候，水下的潜水电机旋转带动叶轮旋转，通过进气管从外界吸入空气溶入水中。叶轮转动使周围的水通过出水口流到周围水域中，周围水域的水又流到叶轮周围，在这个过程中使空气溶入到水中。因此潜水曝气机的叶轮起到至关重要的作用，既能通过流场中污水流速影响到曝气面积，也能在喷嘴部位产生的负压影响到空气的吸入量。现有的技术方案存在以下缺点：
①目前叶轮完全仿照螺旋桨进行设计，而螺旋桨叶片追求的是高推进力，与曝气机目的不一致，且螺旋桨叶周围结构也曝气机结构差别较大，两者工况也不一致，目前现有方案叶轮叶型不符合曝气要求，如曝气效率低，曝气面积小。
②由于目前曝气机其他结构所固定，叶轮的子午流道对流道中的其他部件产生干涉，影响叶轮正常曝气，需要改进。
③现有技术方案所设计的叶轮较为宽大，叶也相互重叠，导致叶轮重量较大，在相同曝气效率下所需要的功较多，不节能。
发明内容
本发明提出了一种潜水曝气机，目的是解决以下问题：
①对叶轮的子午流面与回转面重新设计，在现有的框体下确定出最优的叶轮叶型，以提高曝气机的曝气面积和空气摄入量。
②在不影响叶轮的工作效率的提前下，减小叶轮的轴向投影面，减少叶轮的重量，以降低电机功率。
③对整机各结构部件与叶轮的结构进行优化和约束，保证叶轮的曝气机的曝气面积和空气摄入量处于现有框体最优。
本发明所采用的技术方案具体如下：
一种潜水曝气机，该曝气机由风机组件1、浮球2、喷嘴4、叶轮5、输气管9、距离传感器101和步进电机7组成，所述的浮球2放置于曝气池的水面之上，风机组件1在水面之上；所述输气管9与风机组件1和进气口10相连；
叶轮5由轮毂和安装在轮毂上的叶片组成；叶轮5的前缘部形成入流口，所述曝气机叶轮5的尾缘部形成出流口；所述喷嘴4将叶轮5尾缘区域进行包裹；滤网包裹在叶轮5外侧；
距离传感器101，所述的距离传感器101设置在风机组件1内部，用于探测风机组件1与污水池底部距离；
步进电机7，所述步进电机7与风机组件1下方的连接件8相连，步进电机7转动时可调节喷嘴4与水面的角度。
所述叶轮5由三个叶片所组成，其中轮毂直径为60～90mm，最优为80mm；叶轮5外径180～190mm，最优为183mm；所述叶片，其前缘叶根与尾缘叶根距离为60～150mm，最优为91.5mm；其前缘叶尖与尾缘叶尖距离为60～150mm，最优为116.5mm。其中前缘叶尖与前缘叶根轴向投影距离为5mm，且前缘叶尖比前缘叶根位置更靠近来流方向。前缘处，叶尖到叶根的曲线为多项式曲线，在叶轮5叶尖到叶根的中点其轴向位置距离＝前缘叶根轴向位置+0.3*|(前缘叶根-前缘叶尖)|。尾缘处，叶尖到叶根的曲线为多项式曲线，在叶轮5叶尖到叶根的中点其轴向位置距离＝尾缘叶根轴向位置+0.1*|(尾缘叶根-前缘叶尖)|。
进一步的，所述的叶轮5，其回转面由5个截面所构成，其进口角从叶根到叶尖分别为20°～15°线性变化。每一截面出口角可在40°～60°范围取值，最优为各截面均为40°；每一截面中心角可在105°～120°范围取值，最优为各截面均为115°；所述的叶轮5其叶尖处的前弯角为-35～-15°，最优为-15°，同时叶根处到叶尖处的前弯角从0开始依次线性过渡到叶尖处的前弯角。各截面弧线呈多项式曲线分布，将各截面周向展开之后，其曲线所对应的函数呈下方所示，其中x为周向展开的横坐标，其中y为周向展开的纵坐标。
第一截面：
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第二截面：
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第三截面：
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第四截面：
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第五截面：
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叶轮5流道，其前缘叶尖与喷嘴4起始点距离L1大于等于23mm，最优为23mm，其前缘叶尖与喷嘴4起始点距离L2大于等于38mm，最优为38mm。
该潜水曝气机还包括一个控制器3，其与步进电机7相连，若风机组件1与污水池底部距离小于等于2m，控制器3控制步进电机7传动，使得整机与污水池地面为30°夹角；若风机组件1与污水池底部距离大于2m，距离传感器101控制步进电机7传动，使得潜水电机与污水池地面为45°夹角。
本发明的有益效果：
1)提高曝气机的曝气面积和空气摄入量；
2)在不影响叶轮的工作效率的提前下，减小叶轮的轴向投影面，减少叶轮的重量，以降低电机功率。
3)保证叶轮的曝气机的曝气面积和空气摄入量处于现有框体最优。
附图说明
图1潜水曝气机结构图
图2潜水曝气机侧视图
图3距离传感器安装示意图
图4叶轮子午面示意图
图5叶轮回转面示意图
图6曝气机流道尺寸
图7优化前后压力对比云图
图8优化前后速度对比图
图9控制器控制逻辑框图
具体实施方式
下面以具体实施例的形式对本发明技术方案做进一步解释和说明。
如图1～图3所示，本技术方案中一种潜水曝气机，该曝气机由风机组件1、浮球2、喷嘴4、叶轮5、输气管9、距离传感器101和步进电机7组成，所述的浮球2放置于曝气池的水面之上，风机组件1在水面之上；所述输气管9与风机组件1和进气口10相连；
叶轮5由轮毂和安装在轮毂上的叶片组成；叶轮5的前缘部形成入流口，所述曝气机叶轮5的尾缘部形成出流口；所述喷嘴4将叶轮5尾缘区域进行包裹；滤网包裹在叶轮5外侧；
距离传感器101，所述的距离传感器101设置在风机组件1内部，用于探测风机组件1与污水池底部距离；
步进电机7，所述步进电机7与风机组件1下方的连接件8相连，步进电机7的外壳固定在连接件8上，步进电机7转轴与叶轮5的固定架连接，步进电机7转动时固定架带动叶轮5，调节喷嘴4与水面的角度。
潜水电机带动叶轮5旋转，在叶轮5旋转下对污水做功，推动污水运动，同时在喷嘴4处由于喷嘴4由通流面积是先减小后增大过程，在通流面积减少区域，产生负压，可吸收水面上方的空气进入曝气池，空气在曝气池中水流的带动下，充分混合同时射向污水池其他位置，完成曝气。若吸入空气较少，可有风机组件1中的鼓风机向曝气池送气。
如图4所示，本实施例中所述的叶轮5由三个叶片所组成，其中轮毂直径为60～90mm，最优为80mm；叶轮5外径180～190mm，最优为183mm。
本实施例中叶轮5叶片，其前缘叶根与尾缘叶根距离为60～150mm，最优为91.5mm；其前缘叶尖与尾缘叶尖距离为60～150mm，最优为116.5mm。其中前缘叶尖与前缘叶根轴向投影距离为5mm，且前缘叶尖比前缘叶根位置更靠近来流方向。前缘处，叶尖到叶根的曲线为多项式曲线，在叶轮5叶尖到叶根的中点其轴向位置距离＝前缘叶根轴向位置+0.3*|(前缘叶根-前缘叶尖)|。尾缘处，叶尖到叶根的曲线为多项式曲线，在叶轮5叶尖到叶根的中点其轴向位置距离＝尾缘叶根轴向位置+0.1*|(尾缘叶根-前缘叶尖)|。
以上对整个子午面尺寸的改进，主要目的是通过增大叶片的轴向高度进而提高叶片的做功面积，从而提高提高污水的搅拌速度，但子午面轴向高度不能过分大，若轴向距离太大，由于叶片呈扭曲状态会导致叶片表面的水流产生边界层分离，进而引发尾缘脱落涡，反而会降低其做功能力增加能耗，也会导致噪声极度上升。通过模拟仿真发现，当尺寸限制在以上规定的尺寸时，叶轮5搅拌水流的能力达到最优，较现行方案可提高24％。
如图5所示，本实施例中的叶轮5其回转面由5个截面所构成，其进口角从叶根到叶尖分别为20°～15°线性变化；将进口角限制到此范围内其目的是为了减少水流进口的攻角，防止边界层发生分离。每一截面出口角可在40°～60°范围取值，最优为各截面均为40°，根据欧拉定理旋转机械增加出口角会使得叶轮5流量变大，但一味增加出口角会导致叶片型线异常扭曲，使得流动混乱，通过仿真发现当出口角在40°～60°范围流体流动状态良好，没有出现二次流等现象；每一截面中心角可在105°～120°范围取值，最优为各截面均为115°，增大中心角使得叶片较为宽大，增加叶轮5的做功面积，但叶片相互重叠，会导致流体通流面积减小，反而会导致流体流速降低，通过仿真发现当中心角为115°时，曝气池中的流体流速达到最优。本方案所述的叶轮5其叶尖处的前弯角为-35～-15°，最优为-15°，同时叶根处到叶尖处的前弯角从0开始依次线性过渡到叶尖处的前弯角。各截面中弧线需平滑过渡，不能出现较大曲率变化，每一截面中弧线呈多项式曲线分布，将各截面周向展开之后，其曲线所对应的函数呈下方所示，其中x为周向展开的横坐标，其中y为周向展开的纵坐标。
第一截面：
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通过计算发现，当中弧按照以上方程设计之后，叶片表面流体流动状态良好，未出现边界层分离、二次流等现象。
如图6所示，本实施例中的叶轮5流道，其前缘叶尖与喷嘴4起始点距离L1大于等于23mm，最优为23mm，其前缘叶尖与喷嘴4起始点距离L2大于等于38mm，最优为38mm。常规情况下减少L1和L2的大小，会导致叶轮5做功的面积增大，但在曝气机中L1距离过小，会影响喷嘴4在喉部出的压力，减少空气的吸入量，同时L1距离过小也会导致在碰嘴内的水流无法更好的过渡，导致涡流的产生。另外若L2距离过小，导致水流无法很好的流到叶轮5前缘处，在法兰处出现漩涡，导致叶轮5可做功的水流的减小，使得曝气池内的水流速度降低。
该曝气机还包括一个控制器3，控制逻辑如图9所示，若距离小于等于2m，控制器3控制步进电机7传动，使得潜水电机与污水池地面为30°夹角；若距离大于2m，距离传感器101控制步进电机7传动，使得潜水电机与污水池地面为45°夹角。
优化结果分析
图7为优化前后压力对比云图，通过图5可发现，优化后的叶轮5在喷嘴4喉部区域(红框所示)可产生更低的负压，负压由原型的-1.2万Pa降低到优化后-2.7万Pa，在不需要使用鼓风机的前提下，可从大气吸入更多的空气。
为对比优化叶轮5与原型叶轮5的流场分布，通过CFD软件导出不同坐标下的速度矢量大小矩阵，绘制速度3D surface图(图8)，从图中可发现优化叶轮5流场速度大小高于原型叶轮5，最高点速度由之前的1.5m/s提升到2m/s，可推测优化叶轮5会产生更大的推力，能应用于更大范围的曝气池。
Claims (10)
1.一种潜水曝气机，其特征在于，该潜水曝气机由风机组件(1)、浮球(2)、喷嘴(4)、叶轮(5)、输气管(9)、距离传感器(101)和步进电机(7)组成，所述的浮球(2)放置于曝气池的水面之上，风机组件(1)在水面之上；所述输气管(9)与风机组件(1)和进气口(10)相连；
叶轮(5)由轮毂和安装在轮毂上的叶片组成；叶轮(5)的前缘部形成入流口，所述曝气机叶轮(5)的尾缘部形成出流口；所述喷嘴(4)将叶轮(5)尾缘区域进行包裹；
所述的距离传感器(101)设置在风机组件(1)内部，用于探测风机组件(1)与污水池底部距离；
步进电机(7)，所述步进电机(7)与风机组件(1)下方的连接件(8)相连，步进电机(7)转动时可调节喷嘴(4)与水面的角度。
2.根据权利要求1所述的潜水曝气机，其特征在于，所述的叶轮(5)由三个叶片所组成，其中轮毂直径为60～90mm；叶轮(5)外径180～190mm；所述叶片，其前缘叶根与尾缘叶根距离为60～150mm；其前缘叶尖与尾缘叶尖距离为60～150mm；其前缘叶尖与前缘叶根轴向投影距离为5mm，且前缘叶尖比前缘叶根位置更靠近来流方向；前缘处，叶尖到叶根的曲线为多项式曲线，在叶轮(5)叶尖到叶根的中点其轴向位置距离＝前缘叶根轴向位置+0.3*|(前缘叶根-前缘叶尖)|；尾缘处，叶尖到叶根的曲线为多项式曲线，在叶轮(5)叶尖到叶根的中点其轴向位置距离＝尾缘叶根轴向位置+0.1*|(尾缘叶根-前缘叶尖)|。
3.根据权利要求1所述的潜水曝气机，其特征在于，轮毂直径为80mm、叶轮(5)外径为183mm，前缘叶根与尾缘叶根距离为91.5mm，前缘叶尖与尾缘叶尖距离为116.5mm。
4.根据权利要求1所述的潜水曝气机，其特征在于，所述的叶轮(5)，其回转面由5个截面所构成，其进口角从叶根到叶尖分别为20°～15°线性变化；每一截面出口角可在40°～60°范围取值；每一截面中心角可在105°～120°范围取值；所述的叶轮(5)其叶尖处的前弯角为-35～-15°，同时叶根处到叶尖处的前弯角从0开始依次线性过渡到叶尖处的前弯角。
5.根据权利要求4所述的潜水曝气机，其特征在于，各截面出口角均为40°，各截面中心角均为115°，叶尖处的前弯角为-15°。
6.根据权利要求4所述的潜水曝气机，其特征在于，回转面各截面弧线呈多项式曲线分布。
7.根据权利要求6所述的潜水曝气机，其特征在于，将各截面周向展开之后，其曲线所对应的函数呈下方所示，其中x为周向展开的横坐标，其中y为周向展开的纵坐标；
第一截面：
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8.根据权利要求1所述的潜水曝气机，其特征在于，叶轮(5)流道前缘叶尖与喷嘴(4)起始点距离L1大于等于23mm，其前缘叶尖与喷嘴(4)起始点距离L2大于等于38mm。
9.根据权利要求8所述的潜水曝气机，其特征在于，叶轮(5)流道前缘叶尖与喷嘴(4)起始点距离L1为23mm；前缘叶尖与喷嘴(4)起始点距离L2为38mm。
10.根据权利要求1所述的潜水曝气机，其特征在于，该潜水曝气机还包括一个控制器(3)，其与步进电机(7)相连，若风机组件(1)与污水池底部距离小于等于2m，控制器(3)控制步进电机(7)传动，使得整机与污水池地面为30°夹角；若风机组件(1)与污水池底部距离大于2m，距离传感器(101)控制步进电机(7)传动，使得潜水电机与污水池地面为45°夹角。
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