ALFA-LAVAL分油机原理及结构演化

ALFA-LAVAL分油机原理及结构演化

ALFA-LAVAL分油机原理及机构演化

（海事大学）

摘要：为便于学员对分油机工作原理的理解，分析了ALFA-LAVAL分油机工作的物理原理，并比较了ALFA-LAVAL FOPX型和S型分油机主要结构和工作原理，有利于学员对ALFA-LAVAL分油机工作原理的掌握，指导轮机员对ALFA-LAVAL分油机进行的操作及维护。

关键词：分油机；原理；机构演化

The principle and mechanism evolution of ALFA-LAVAL oil separator

( Maritime University)

Abstract: For easy understanding of the working principle of oil separator，analyzed the physical principle of ALFA-LAVAL oil separator, compared the primary construction and working principle of FOPX type and S type ALFA-LAVAL oil separator which made good for the students to know well about the working principle of oil separator and also gave guidance to marine engineer operation and maintenance.

Key words: oil separator; principle; mechanism evolution

船舶中低速柴油机普遍使用劣质燃油，分油机是燃油净化的核心设备，在船舶动力装置辅助机械中有着重要地位。分油机的正常工作，对动力装置的正常运行起着保障作用，ALFA-LAVAL公司生产的分油机性能优越，故障率低，在船舶配套设备中普遍采用。轮机员要对分油机的工作原理全面掌握，才能更好地做好分油机的维护保养工作。在教学教材中，对分油机工作原理的论述较少，学员不易理解分油机的工作原理。本文分析了ALFA-LAVAL分油机工作的物理原理，并比较了ALFA-LAVAL FOPX型和S型分油机主要结构和工作原理，有利于学员对ALFA-LAVAL分油机工作原理的掌握。

力场中，如图1所示，颗粒与流体一起以角速度 围绕中心轴旋转。设某一质量为m、密度为 p、粒径为dp的球形颗粒处于与中心轴距离为r的离心场中，则该颗粒受到的惯性离心力Fc可用下式计算[1]：

12

Fc mr 2 d3（1） p pr

6

惯性离心力的作用方向为沿径向向外。同时颗粒受到来自周围流体的浮力Fb，此浮力的大小等于密度为 的与颗粒同体积的流体在该位置所受的惯性离心力，此浮力的方向指向中心轴[1]：

1 ALFA-LAVAL分油机物理原理

1.1 分油机离心沉降原理

12

Fb d3 p r （2）

6

如果颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒在（Fc-Fb）的作用下沿径向向外运动；反之，则

图 1 离心力场中颗粒的受力

向中心轴运动。

由于颗粒与流体之间的相对运动，颗粒还会在运动过程中受到流体阻力FD的作用。流体阻力的方向与颗粒物在流体中的运动方向相反，其大小与流体和颗粒物之间的相对运动速度、流体的密度、黏度以及颗粒物的大小、形状有关。对于

分油机分离燃油中的杂质，是基于离心沉降的原理，当分油机正常工作时，分离筒高速旋转，筒内的燃油也一起高速旋转，燃油流体中的杂质颗粒处于离心力场当中，被快速沿径向沉降分离。

假设含有杂质颗粒物的非均相流体处于离心

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球形颗粒，根据量纲分析，可得出流体阻力的计算方程[1]：

FD C v2

DAp

2

（3）

式中：Ap为颗粒在垂直于运动方向水平面的投影面积，对于球形颗粒，Ap

d224

p，m；

v为颗粒与流体之间的相对运动速度，m/s；

为流体的密度，kg/m3；

dp为颗粒的定性尺寸，对于球形颗粒，dp为

其直径，m。

CD为由实验确定的阻力系数，无量纲；阻力

系数是颗粒的雷诺数Rep和颗粒形状的函数[1]。

CD f(Rep) （4）

Rep

p

ud

（5）

式中： 为流体的黏度，pa s。

设颗粒所受的径向合力为F，并产生加速度

dv

dt

，可得： F Fc Fb FD

1 6 d32

2 v2 （6）p( p )r CD4dp2当径向合力F 0时，三个力Fc、Fb、FD达

到平衡，加速度dv

dt

0，平衡时颗粒在径向上相对于流体的速度vtc即是它在此空间位置上的离心沉降速度，由上式，可得：

vtc

（7）

杂质颗粒在分油机中的运动区域主要为层流区，雷诺数Rep 2，阻力系数与雷诺数之间的关系为：

CD

24

Re （8） p

带入上式，可得：

( 22

vp )r dp

tc

18

（9）

离心沉降的特点：

（1）在杂质颗粒密度大于流体密度时，沉降方向是向外，即背离旋转中心；

（2）由于离心力随旋转半径而变化，致使离心沉降速度也随颗粒所处的位置而变，所以颗粒的离心沉降速度本身不是一个恒定的数值；

（3）与重力沉降相比，离心沉降比重力沉降有效得多，离心沉降速度可以提高的倍数取决于离心加速度与重力加速度的比值kc，即

kr 2

c g

。 1.2 水高速旋转产生动压头的流体力学原理

分油机的分离筒是由顶盖和FOPX型的滑动底盘或S型的活动排渣底盘构成的，滑动底盘和活动排渣底盘可动作来实现排渣，ALFA-LAVAL分油机巧妙地利用了水高速旋转产生的动压头来控制滑动底盘和活动排渣底盘，实现了分油机的连续工作和自动控制。

图 2 静态水与高速旋转水的动压头

比较图2中静态水和高速旋转水，动压头要

在分油机高速旋转时水形成水环才体现出来，分油机工作水高速旋转产生的对滑动底盘的动压头以及开启水高速旋转产生的对滑动圈的动压头可由下式得到[2]

：

r2

F r 2r3dr （10）

1

式中：r1为高速旋转水环的内半径，在分油机

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中则为工作水或开启水在其水空间形成水环的内半径，m；r2为高速旋转水环的外半径，在分油机中则为工作水或开启水其水空间的最大半径，

m； 为水的密度kg/m3； 水的旋转角速度

rad/s；在分油机中可忽略工作水和开启水进口

压力的影响，当工作水或开启水在其腔室高速旋转时产生的动压头足以密封滑动底盘和克服滑动圈弹簧弹力。

2 ALFA-LAVAL FOPX型分油机主要结构及工作原理

FOPX型分油机是ALFA-LAVAL公司上世纪90年代的产品，该机型在船龄为十多年的营运船舶上还在工作。FOPX型分油机的剖视图见图3至图6[3]，其分离筒分油空间由筒盖及滑动底盘构成，滑动底盘由其下方的工作水在高速旋转时产生的动压头来托起从而封闭排渣口，滑动底盘靠近最外周处有三个泄水孔，此泄水孔由滑动圈上三个塑料密封堵头封住，当滑动圈上部进开启水时同样在高速旋转水产生的动压头作用下，滑动圈克服弹簧弹力向下运动，从而打开泄水孔，实现排渣[4]，FOPX型分油机的排渣控制过程如下：

图 3 FOPX型分油机分油工作中剖视图

图 4 FOPX型分油机准备排渣剖视图

图 5 FOPX型分油机排渣中剖视图

图 6 FOPX型分油机排渣后剖视图

W-密封圈；I-排渣口；K-滑动底盘；X-密封堵头；Y1-开启室；N-定量环；Y2-定量室；L-滑动圈；

0-弹簧；R-密封圈；M1-Y1的泄水小孔；M2-Y2的泄水小孔；W15-开启水；W16-工作水

正常运行期间，见图3，密封堵头X受弹簧作用封住水出口，工作水W16每过一定时间补充一次，弥补蒸发和泄露造成的损失，滑动底盘K下部充满工作水。

准备排渣，见图4，工作水W16持续提供，开启水W15提供约三秒，在此期间，开启室Y1充满水，少许水从泄水小孔M1泄出，开启室内高速旋转的开启水所产生的动压头对滑动圈向下的压力，克服弹簧0弹力，即f3>f，使滑动圈L向下滑动，其上的密封堵头X随滑动圈L一起下移。

排渣中，见图5，由于密封堵头X的下移，工作水从水出口泄出进入开启室Y1，开启室中的水经数个垂直孔大量进入定量室Y2，有少量水经泄水小孔M1、M2泄放，由于滑动底盘K下面的工作水泄放出去，水的动压头消失，滑动底盘下滑，即f1>f2，打开排渣口I进行排渣。当定量室Y2渐充满水时，滑动圈L上下空间水压力趋于相等，在弹簧作用下，滑动圈上移复位，密封堵头封住水出口。

排渣后，见图6，由于工作水W16的持续供水，滑动底盘K下部空间很快充满水，再次把滑动底盘K托起封住排渣口I，排渣结束，滑动圈L上下腔室Y1、Y2中的水经泄水小孔M1、M2泄放。

设计排渣口打开的时间仅为0.1S左右，由开启

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室Y1定量室Y2的容积、泄水孔M1、M2的直径等参数共同实现。在此时间内，将使分油机分离盘外侧约70%容量的渣质和水从排渣口排出。

3 ALFA-LAVAL S型分油机主要结构及工作原理

S型分油机是ALFA-LAVAL公司的新产品，其体积小，转速高达10400rpm，分离效果好，易于保养[5]。S型分油机的分离筒由一台电机通过平皮带动力传输部件和立轴驱动。电机驱动装置配有一个摩擦联轴器，以避免过载。分离筒为盘式，由水力驱动活动排渣底盘进行排渣。

S型分油机的结构原理图7所示，分油机进出油管结构由原来的双向心泵，改为下部有一个具有向心功能的固定不动的向心泵12。它能把分离出来的净油从2口排出，上部使用向心管4能把分离出来的水从出水口3排出。向心管是活动的，在支撑臂及弹簧的作用下将其向外张开。使其保持与水腔内的水界面接触，需要时可把水腔内水向外泵出。实际上不管是向心管还是向心管，都是把高速旋转的液体流动能转变成位压力能，这种改进使能耗降至最低。

图 7 S型分油机结构原理图

1-待分油进口；2-净油出口；3-出水口；4-向心管；5-水腔；6-分配器孔；7-顶盘；9-活动排渣底盘；10-操作滑环；11-分离油腔；12-向心泵；13-分离筒盖；W-置换水进口；M-泄水孔；K-进水孔；H-进水孔；Z-进水孔；N-下腔泄水孔；P-上腔泄水孔；X-排渣口；P1-开启水管；P2-工作水管

待分油从进油口l连续进分油机，经旋转分离叠片组外边缘上的垂直缺口进入分离叠片组，油

分离叠片之间形成的通道上升，油在上升的过程中继续被分离，水分和渣质在离心沉降作用下运动至分离叠片的外侧，净油被推向分离叠片的内侧。当净油向内离开分离叠片后，流过分配器油孔进入油腔，通过向心泵12扩压，油被泵出油腔，在净油出口2所接的管路上装手动背压调节阀和一台MT50型水分传感器，能精确地检测净油中的含水量。当分离出来的水很少时，说明油水分界面在分离叠片外侧较远处，这时装在排水出水口3管路上的排水电磁阀关闭，封住出水口3，不向外排水，这是正常分油过程。随着分离过程的进行，油水分界面小断向里移动，水分传感器会感受到净油中含水量的增大。当油水分界面移动到接近分离叠片外边缘时，净油中的含水量会增加到一个触发值。这个触发值将被送到EPC-50型监控装置，由该装置决定是打开排水电磁阀向外排水，还是打开排渣口进行一次排渣。如打开排水电磁阀排水，油水分界面会迅速外移，净油中含水量也会迅速减少，当降低到一定值时停止排水。

当待分油中含水量极少时，从上次排渣算起，又已达到最大排渣间隔时间，而油水分界面仍离分离盘外侧较远，此时尽管净油中基本不含水分，但EPC-50型监控装置也要进行一次排渣操作。为减少排渣时油的损失，首先停止向分油机供待分油，在排渣前从水管的W口供置换水，并关闭出油阀，油水分界面会向里移动。为了使更多的油在排渣前从分油机内被排出，以减少油的损失，当出油口压力传感器检测到的压力达到0.05 MPa时，打开出油阀，等到分离筒内的待分油已全部被水置换，净油出口中检测到水分时，或当置换水供给到量时，关闭置换水，打开排渣口进行排渣，以防排渣操作中将净油也排出。置换水的体积是根据分油机首次启动时对水流量标定后自动设定的。如果是停机排渣，则在此后控制分油机停机时，分离筒内基本是干净的，确保不会有燃油黏连内部器件，并在下次启动时，使得分油机净筒轻载启动。

S型分油机分离筒结构上也有较大的改变[6]，操作滑环10取消了托顶弹簧。活动排渣底盘9不再利用上下运动使分离筒封闭和打开，而是靠活动排渣底盘9下部的工作水形成的压力使活动排渣底盘9下部平面的外周部分向上变形，使活动排渣底盘9外边缘向上移动与分离筒盖上的密封环8紧密接合，从而使分离筒的排渣口X密封，分离筒盖

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的锁紧由以前的锁紧螺母改为锁紧环。在正常分油期间，为了补偿工作水由于蒸发和泄漏泄造成的损失，由管P2断续供水，使其下部工作水维持在Z孔附近，见图8，少量多余的工作水会经喷嘴P泻出。这时P1断水，使滑动底盘下部仍充满工作水，保持足够的向上推力，以确保分离筒密封，此时的工作水称为补偿水。

图 8 S型分油机分油工作中剖视图

上，由于上边的面积大于下边的面积，因此水压会对操作滑环10产生一个向下的作用力，致使操作滑环10向下移动，打开泄水孔M，活动排渣底盘9下面的工作水通过泄水孔M经喷嘴P和泄水孔N泻出。由于活动排渣底盘9下面的工作水泄放出去，作用到活动排渣底盘9下面的工作水的动压头消失。这样由于活动排渣底盘9下部平面部分是由具有记忆功能的特殊材料制成的，因此这时恢复常态使外边缘向下移动，打开排渣口X进行排渣。此时的工作水P1成为开启水，这样操作滑环10上面的水会很快泄完，而作用到操作滑环10的下面，孔N径向以外的水泄不掉，仍留在开启室Y，而且会对操作滑环10产生一个向上的推力，使操作滑环10上移，从而封闭泄水孔M，然后管P2连续进工 作水，水经H和Z孔进人活动排渣底盘9下部，工作水形成的压力使活动排渣底盘9下部平面的外周部分向上变形，从而使外边缘上移，活动排渣底盘9的外边缘上部与分离筒盖上的密封环8再次紧密接台封住排渣口X。此时的工作水P2称为密封水，管P2连续进水一段时间后恢复断续进补偿水，继续进行分油工作。

4 结束语

ALFA-LAVAL Smart公司生产的分油机性能

优越，是船东的首选品牌，在船舶中有很高的装

图 9 S型分油机排渣中剖视图 备率。掌握ALFA-LAVAL FOPX型和S型分油机的

当需要排渣时，管P1大量进水，持续约3 s，主要结构和工作原理，可以指导轮机员对水面向里移，经K孔进入开启室Y，见图9。在Y室ALFA-LAVAL分油机进行的操作及维护，对船舶充满水后，由于进水量较大而喷嘴P来不及泄放，动力装置的安全有积极意义。

水压分别作用到操作滑环10上下两个不同的面积参考文献：

[1]胡洪营.环境工程原理[M]. 北京:科学出版社, 2008. [2]茅春浦.流体力学[M]. 上海:上海交通大学出版社, 1997. [3]邹森.某轮分油机故障原理分析[J]. 北方交通,2010(5):171-173. [4] ALFA-LAVAL FOPX型分油机操作手册. [5] ALFA-LAVAL S型分油机操作手册.

[6]林叶锦等.轮机自动化[M]. 大连:大连海事大学出版社,2012.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xei1.html