СПОСОБ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ РАЗРАБОТКИ И ТРАНСПОРТА ГРУНТОВ Российский патент 2006 года по МПК E02F3/88 

Изобретение относится к области гидромеханизированных земляных работ и предназначено для подводной разработки грунтов.

В эжекторных и эжекторно-землесосных грунтозаборных устройствах в последние годы для повышения эффективности процесса грунтозабора и полезного напора эжектора за счет уменьшения гидравлических сопротивлений путем постепенного увеличения скорости движения подсасываемой пульпы поток рабочей воды разделяют на две ступени эжектирования и на гидрорыхление грунта.

Целесообразность такого технического решения обусловлена известным положением о том, что величина потерь напора пропорциональна разности квадратов скоростей рабочего и подсасываемого потоков. При этом имеет место резкий перекос эпюры скоростей в начале камеры смешения: от максимальной, равной скорости струи из эжектирующего насадка по оси камеры смешения, до нулевой на стенках этой камеры - для эжектора центрального типа. Для эжектора кольцевого типа скорости максимальны вблизи стенок камеры смешения и не равны скорости подсасываемого потока пульпы в ее центральной части. В обоих случаях эти скорости отличаются на порядок и более (см. Ю.Л.Кирилловский, Л.Г.Подвидз. Рабочий процесс и основы расчета струйных насосов. Труды ВИГМ, вып.XXVI, М., 1960, стр.107, рис.5 /1/; А.М.Трабовский, К.Ф.Иванов, А.М.Скорупко. Гидравлический расчет параметров кольцевого эжектора. Строительство и архитектура. Изв. ВУЗов, Новосибирск, 1973, стр.98, рис.2 и 3 /2/).

Противоположный резко выраженный характер неравномерности эпюры скоростей в эжекторах с центральной и кольцевой подачей рабочей воды предопределяет необходимость рационального их совмещения с целью снижения гидравлических потерь в камере смешения грунтозаборного устройства.

Известно грунтозаборное устройство землесосного снаряда по а.с. №1308716, кл. Е 02 Г 3/88, в котором с целью повышения эффективности работы земснаряда использован способ разделения потока напорной воды на две ступени: эжектирование и гидрорыхление. Недостатки этого решения заключаются в том, что напорная вода, выходящая из коллектора на первую ступень эжектирования, разворачивается в обтекателе на 180°, что связано с большими потерями энергии. Поступление грунта в первую ступень эжектора происходит через открытую приемную камеру вместе с большим количеством окружающей воды, что снижает консистенцию засасываемой пульпы и, в конечном счете, производительность земснаряда по твердому. Смесительная камера первой ступени эжектирования представляет собой кольцевую полость, образованную коллектором и патрубком, а такое русло создает повышенные гидравлические сопротивления, что усугубляется тем, что поток пульпы пересекается водоподводящей трубой. Участок водоподводящей трубы, расположенный внутри патрубка, будет подвержен абразивному износу потоком гидросмеси, а доступ к этому участку чрезвычайно затруднен как при изготовлении, так и при ремонте. Главный же недостаток заключается в том, что выравненный в смесительной камере первой ступени поток пульпы вновь подвергается резкой деформации струей из эжектирующего насадка и вторичному выравниванию в смесительной камере второй ступени, что практически удваивает этот вид потерь напора.

И, наконец, разделение потока на две ступени эжектирования в предлагаемом соотношении 1:(1,45-1,53) обуславливает соответствующее уменьшение площадей выходных сечений эжектирующих насадков, в то время как площади поперечного сечения смесительных камер не могут быть уменьшены по условию пропуска крупных включений, вследствие чего соотношение площадей живых сечений эжектирующих насадков и соответствующих им камер смешения оказывается далеким от оптимальных значений, обеспечивающих наибольший КПД. Так, у реального эжектора, соответствующего прототипу, эти соотношения составляют 1:10 для первой ступени и 1:12 для второй, а оптимальное значение этого соотношения находится в пределах 1:4-1:5. Диаметр насадков не может быть увеличен с целью улучшения соотношения потому, что это приведет к увеличению расхода рабочей воды, который не может превышать определенной части от подачи грунтового насоса.

Известно также грунтозаборное устройство землесосного снаряда, в котором с целью повышения производительности грунтозабора за счет уменьшения гидравлических сопротивлений коллектор выполнен в виде камеры с торцовыми и внутренней кольцевой стенками, расположенными в эжекторе с образованием сквозной полости, сообщающей выпускное отверстие центральной эжекторной насадки со смесительной камерой, а эжекторная насадка коллектора выполнена в виде нескольких равномерно размещенных со стороны смесительной камеры на торцовой стенке коллектора сопл, продольные оси которых сфокусированы на продольной оси смесительной камеры, при этом отношение суммарной площади сопл эжекторной насадки коллектора к площади выпускного отверстия центральной эжекторной насадки равно 1,45-1,53 (а.с. №1416617, кл. Е 02 F 3/88, прототип).

Это устройство по сравнению с предыдущим позволяет уменьшить гидравлические сопротивления при подводе напорной воды к соплам. Практическое применение этого устройства показало возможность получения некоторого положительного эффекта. Вместе с тем не устранен главный источник повышения гидравлических сопротивлений. Струя из центральной эжекторной насадки смешивается полностью с подсасываемым потоком пульпы - с соответствующими гидравлическими потерями - в пределах сквозной полости коллектора, являющейся смесительной камерой для первой ступени, в конце которой эпюра скоростей имеет выравненный, близкий к прямоугольному характер. В этот выровненный поток струями из сопл коллектора вновь вносится возмущение, которое опять требуется с соответствующими потерями энергии выравнивать в смесительной камере второй ступени. Сохранен, как и в предыдущем аналоге, забор грунта через открытую приемную камеру. Соотношение площадей сопл и приемных камер также невозможно сохранить в оптимальных пределах при той же мощности насоса эжектирующей воды.

Кроме того, мощные струи из сопл второй ступени, продольные оси которых направлены вдоль стенки эжектора, под действием градиента давлений (где выше скорость - там ниже давление) втягивают в себя твердые частицы из потока гидросмеси и интенсивно изнашивают стенки эжектора. Наконец, вследствие того, что продольные оси насадок коллектора сфокусированы на продольной оси смесительной камеры, радиальные составляющие струй из этих сопл взаимно гасят друг друга, что дополнительно снижает эффективность грунтозаборного устройства.

Целью предлагаемого изобретения является снижение гидравлических потерь в камере смешения грунтозаборного устройства, ее абразивного износа и повышение полезного напора двухступенчатого эжектора.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе рабочую воду второй ступени вводят непосредственно за приемной камерой на такой длине последней, чтобы расширяющаяся струя из центрального эжектирующего насадка не касалась стенок приемной камеры. Для этого выходную оконечность ее выполняют в виде съемной гильзы, а расход воды через кольцевой насадок регулируют посредством задвижки (вентиля) на питающем трубопроводе коллектора рабочей воды эжектора второй ступени так, чтобы он составлял 15-20% расхода через центральный эжектирующий насадок. Такое соотношение расхода рабочей воды через насадки эжекторов первой и второй ступеней позволяет снизить затягивание твердых частиц из потока пульпы эжектора первой ступени в вакуумную зону кольцевой струи эжектора второй ступени, а следовательно, снизить абразивный износ смесительной камеры последней.

Существо физических процессов, происходящих при этом в грунтозаборном устройстве, и достигаемый положительный эффект заключаются в следующем:

- введение части рабочей воды в виде кольцевой струи вдоль стенок смесительной камеры со скоростью, близкой к скорости струи, истекающей из центрального насадка, устраняет перекос эпюры скоростей и сокращает объем вихревой зоны в пристенной области, в которой теряется основная часть энергии, вследствие чего уменьшаются потери напора в смесительной камере, и повышается полезный напор;

- близкое расположение центрального и кольцевого насадков дает возможность обойтись одной совмещенной смесительной камерой, т.е. избежать двойной деформации потока и удвоенных потерь напора в двух смесительных камерах;

- это же обстоятельство позволяет выдержать соотношение площадей живых сечений насадков и смесительной камеры в близких к оптимальным пределах;

- наличие всасывающего наконечника обеспечивает поступление в приемную камеру пульпы с максимальной концентрацией, которая, будучи разбавлена рабочей водой из насадков, образует пульпу с концентрацией твердого, оптимальной по условиям гидротранспорта;

- подача рабочей воды в основном через центральный эжектирующий насадок (80-85%), обеспечивает снижение абразивного износа стенок смесительной камеры, позволяет на достаточно коротком расстоянии выровнять эпюру скоростей движения пульпы и тем самым сократить длину камеры смешения эжектора второй ступени, сократить гидравлические потери в ней и абразивный ее износ и, наконец, повысить перепад давлений, используемый для интенсификации процесса грунтозабора, вследствие чего повышается производительность по твердому.

Таким образом, предлагаемый способ гидравлической разработки и транспорта грунтов позволяет исключить следующие недостатки прототипа:

- исключается двукратная деформация скоростей течения потока пульпы с последующим двукратным же выравниванием их в двух смесительных камерах;

- резко сокращается объем вихревой зоны, с которой связаны основные потери энергии в эжекторе, что обусловливает повышение производительности и снижение энергоемкости процесса эжекторного грунтозабора;

- грунтозабор производится с повышенной консистенцией засасываемой пульпы за счет всасывания грунта через всасывающий наконечник, а не через открытую приемную камеру;

- снижается абразивный износ эжектора и обеспечивается соотношение площадей поперечного сечения центрального насадка и смесительной камеры в близких к оптимальному пределах.

Изобретение относится к области гидромеханизированных земляных работ и предназначено для подводной разработки грунтов. Техническая задача - снижение гидравлических потерь в камере смешения грунтозаборного устройства, ее абразивного износа и повышение полезного напора двухступенчатого эжектора. Способ гидравлической разработки и транспорта грунтов путем размывания его затопленной струей гидромонитора и эжектирования образующейся пульпы последовательно центральным и кольцевым эжектирующими насадками. Рабочую воду второй ступени вводят непосредственно за приемной камерой на такой длине последней, чтобы расширяющаяся струя из центрального эжектирующего насадка не касалась стенок приемной камеры, для чего выходную ее оконечность выполняют в виде съемной гильзы, а расход воды через кольцевой насадок регулируют так, чтобы он составлял 15-20% от расхода через центральный эжектирующий насадок.

Способ гидравлической разработки и транспорта грунтов путем размывания его затопленной струей гидромонитора и эжектирования образующейся пульпы последовательно центральным и кольцевым эжектирующими насадками, отличающийся тем, что рабочую воду второй ступени вводят непосредственно за приемной камерой на такой длине последней, чтобы расширяющаяся струя из центрального эжектирующего насадка не касалась стенок приемной камеры, для чего выходную ее оконечность выполняют в виде съемной гильзы, а расход воды через кольцевой насадок регулируют так, чтобы он составлял 15-20% от расхода через центральный эжектирующий насадок.