КОМПЛЕКС ДЛЯ ДОБЫЧИ КОНКРЕЦИЙ Российский патент 2009 года по МПК E21C50/00 

Изобретение относится к гидромеханизированным комплексам для добычи конкреций с морского дна.

Известен комплекс для добычи конкреций с морского дна (прототип), содержащий базовое судно, передвижной придонный агрегат, включающий пульпонасос с всасывающим и выходным патрубками, напорный трубопровод, перфорированный патрубок, соединенный фланцами с выходным патрубком и напорным трубопроводом, при этом размеры отверстий перфорированного патрубка приняты равными минимальному размеру добываемых конкреций (Пат. РФ №2219342, Кл. 7 Е21С 50/00, E02F 3/88; 2003).

Однако недостатком известного комплекса является необходимость использования передвижного придонного агрегата, увеличенная длина напорного трубопровода, что усложняет и удорожает конструкцию комплекса, а также нарушение продуктивного придонного слоя при перемещении по дну акватории тяжелого добычного агрегата, что увеличивает продолжительность восстановительного периода формирования новых конкреций.

Техническим результатом изобретения является упрощение и удешевление конструкции комплекса и обеспечение щадящего режима добычи конкреций.

Технический результат достигается тем, что в комплексе для добычи конкреций, содержащем базовое судно, пульпонасос с всасывающим и выходным патрубками, напорный трубопровод, соединенный фланцами с выходным патрубком и напорным трубопроводом перфорированный патрубок с размерами отверстий равными минимальному размеру добываемых конкреций, согласно изобретению напорный трубопровод ориентирован вертикально, а его надводная часть с помощью обоймы шарнирно закреплена на конце подъемной стрелы поворотного крана, установленного на базовом судне, с возможностью подъема и опускания напорного трубопровода, а также его перемещения в горизонтальной плоскости, верхняя часть трубопровода гибким шлангом соединена с приемным приспособлением для конкреций, на средней части трубопровода симметрично относительно его продольной оси и с расположением вдоль него размещены четыре понтона цилиндрической формы с возможностью заполнения их водой и продувки сжатым воздухом, при этом понтоны размещены на трубопроводе между закрепленными на нем фланцами и соединены между собой и прижаты к трубопроводу с помощью гибких бандажей, на нижней части трубопровода с возможностью вращения относительно него в горизонтальной плоскости установлена поворотная ферма, кинематически связанная с приводом ее поворота, а снизу к ферме прикреплены симметрично расположенные относительно всасывающего патрубка две вертикально ориентированные в поперечном сечении лопасти с возможностью их опирания на дно акватории, захвата ими конкреций и их перемещения к всасывающему патрубку, каждая из лопастей в плане спрофилирована по логарифмической спирали с полюсом, совпадающим с осью всасывающего патрубка, причем внешняя относительно всасывающего патрубка кромка лопасти и ее нижняя кромка отогнуты в сторону вращения фермы, а к всасывающему патрубку лопасть примыкает с минимальным кольцевым зазором в плане, при этом параметры логарифмической спирали, определяющей профиль каждой лопасти, выбраны исходя из соотношения

φ^-1ln(ρa^-1)<f,

где φ - мгновенная угловая координата, рад, ρ - мгновенный радиус, м, a - масштабный коэффициент, равный отношению линейной и угловой скоростей при построении профиля логарифмической спирали, м, f - коэффициент трения/скольжения конкреций с вмещающей породой по внутренней поверхности лопасти, при этом всасывающий патрубок выполнен в виде расширяющегося вниз усеченного конуса, приемное приспособление для конкреций выполнено в виде наклонной колосниковой решетки с возможностью перегрузки с нее обезвоженных конкреций в передвижные контейнеры, а под колосниковой решеткой размещен зумпф. Лопасти могут быть выполнены со щелевыми отверстиями, а их внутренние поверхности покрыты слоем из гидрофобного материала. Зумпф может быть снабжен отводящим трубопроводом, ориентированным в сторону дна акватории.

Комплекс для добычи конкреции представлен на фиг.1 - вид сбоку, на фиг.2 - разрез А-А по фиг.1, на фиг.3 - разрез Б-Б по фиг.2, на фиг.4 - расчетная схема к определению параметров логарифмической спирали, формирующей профиль лопастей, на фиг.5 - поперечный разрез по понтонам.

Комплекс для добычи конкреций содержит базовое судно 1, вертикально ориентированный напорный трубопровод 2, надводная часть которого с помощью обоймы 3 шарнирно 4 закреплена на конце подъемной стрелы 5 поворотного крана 6, установленного на базовом судне 1. Стрела 5 размещена с возможностью подъема и опускания напорного трубопровода 2, а также его перемещения в горизонтальной плоскости. Верхняя часть трубопровода 2 гибким шлангом 7 соединена с приемным приспособлением для конкреций. На средней части трубопровода 2 симметрично относительно его продольной оси 8 и с расположением вдоль него размещены четыре понтона 9 цилиндрической формы с возможностью заполнения их водой и продувки сжатым воздухом. При этом понтоны 9 размещены на трубопроводе 2 между закрепленными на нем фланцами 10 и 11 и соединены между собой и прижаты к трубопроводу 2 с помощью гибких бандажей 12 и 13. На нижней части трубопровода 2 с возможностью вращения относительно него в горизонтальной плоскости установлена поворотная ферма 14, кинематически связанная с приводом 15 ее поворота. Привод 15 установлен на кронштейне 16, закрепленном на напорном трубопроводе 2. Снизу к ферме 14 прикреплены симметрично расположенные относительно всасывающего патрубка 17 две вертикально ориентированные в поперечном сечении лопасти 18 и 19 с возможностью их опирания на дно 20 акватории 21, захвата ими конкреций 22 и их перемещения к всасывающему патрубку 17. Каждая из лопастей 18 и 19 в плане спрофилирована по логарифмической спирали с полюсом, совпадающим с осью всасывающего патрубка 17. Причем внешние относительно всасывающего патрубка 17 кромки 23 и 24 лопастей 18 и 19 и их нижние кромки 25 отогнуты в сторону 26 вращения фермы 14, а к всасывающему патрубку 17 лопасти примыкают с минимальными кольцевыми зазорами 27 и 28 в плане. При этом параметры логарифмической спирали, определяющей профиль каждой лопасти 18 и 19, выбраны исходя из соотношения

φ^-1ln(ρa^-1)<f,

где φ - мгновенная угловая координата, рад, ρ - мгновенный радиус, м, а - масштабный коэффициент, равный отношению линейной и угловой скоростей при построении профиля логарифмической спирали, м, f - коэффициент трения/скольжения конкреций с вмещающей породой по внутренней поверхности лопасти.

Приведенное выше соотношение, позволяющее выбирать параметры логарифмической спирали с обеспечением смещения добываемой массы вдоль лопастей при их вращении, выведено следующим образом. В уравнении логарифмической спирали в полярных координатах (см., например, Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М., 1957, с.111-112, рис.60) ρ=а е^kφ, где е - основание натуральных логарифмов, k=ctgα, α - острый угол между мгновенным радиусом ρ и логарифмической кривой, для обеспечения скольжения добываемой массы по внутренней поверхности лопастей 18 и 19 угол встречи β между лопастью добываемой массой должен отвечать неравенству β=arc tgf<π/2-α.

Тогда ctg α=ctg(π/2-β)=tg β.

После логарифмирования исходного уравнения и его решения относительно параметра β с учетом отмеченного получим β=arc tg[φ^-1ln(ρа^-1)]<arctg f, что и соответствует приведенному выше соотношению.

Всасывающий патрубок 17 пульпонасоса 29 выполнен в виде расширяющегося вниз усеченного конуса. Приемное приспособление для конкреций 22 выполнено в виде наклонной колосниковой решетки 30 с возможностью перегрузки с нее обезвоженных конкреций 22 в передвижные контейнеры 31. Под колосниковой решеткой 30 размещен зумпф 32. Зумпф 32 может быть снабжен отводящим трубопроводом 33, ориентированным в сторону дна 20 акватории 21. Лопасти 18 и 19 могут быть выполнены со щелевыми отверстиями 34, а их внутренние поверхности покрыты слоем 35 из гидрофобного материала. 36 - перфорированный патрубок, 37 - траектория внешних кромок 23 и 24 лопастей 18 и 19 и 16, α - вылет стрелы 5, l - удаление внешних кромок 23 и 24 лопастей 18 и 19 от оси 8 напорного трубопровода 2.

Комплекс действует следующим образом. После размещения базового судна 1 в зоне добычи конкреций 22 с помощью стрелы 5 поворотного крана 6 трубопровод 2 с закрепленным на нем оборудованием опускается в акваторию 21 до размещения лопастей 18 и 19 на ее дне 20. При этом предварительно заполненные водой понтоны 9 продуваются сжатым воздухом до такого состояния, чтобы за счет положительной плавучести понтонов 9 обеспечить расчетное давление лопастей 18 и 19 на дно 20 акватории 21. После этого включают пульпонасос 29 и привод 15 вращения фермы 14 в направлении 26. Благодаря этому при вращении фермы 14 размещенные на дне 20 конкреции 22 за счет их взаимодействия с лопастями 18 и 19 сдвигаются ими в сторону всасывающего патрубка 17, захватываются пульпонасосом 29 и транспортируются им вверх по напорному трубопроводу 2. При этом за счет соответствующего выбора параметров профиля лопастей 18 и 19, определяемых приведенным выше соотношением, угол β встречи конкреций 22 с вмещающими их породами с внутренней поверхностью лопастей 18 и 19 в любой точке по длине каждой лопасти всегда одинаков и всегда меньше угла трения. Поэтому добываемая масса при ее взаимодействии с внутренними поверхностями лопастей 18 и 19 смещается ими в сторону всасывающего патрубка 17 и надежно захватывается пульпонасосом 29. При этом при смещении этой массы вдоль лопастей 18 и 19 происходит первичное обогащение конкреций 22 за счет сброса части илистых включений через щелевые отверстия 34 лопастей 18 и 19. Далее, при проходе гидросмеси через перфорированный патрубок 36 излишки воды и часть оставшихся илистых включений удаляются из трубопровода 2. С напорного трубопровода 2 гидросмесь по гибкому шлангу 7 направляется на наклонную колосниковую решетку 30, на которой происходит обезвоживание и обесшламливание конкреций 22. С колосниковой решетки 30 конкреции 22 после их трехкратного предварительного обогащения самотеком разгружаются в передвижные контейнеры 31.

При наличии двух одновременно работающих лопастей 18 и 19, расположенных по обе стороны от напорного трубопровода 2, обеспечивается отработка залежи площадью πl² при повороте фермы 14 на 180 градусов, что позволяет увеличить производительность устройства или при прочих равных условиях уменьшить угловую скорость вращения фермы 14. За счет регулирования величины давления лопастей 18 и 19 на дно 20 акватории 21 путем соответствующей продувки понтонов 9 обеспечивается, во-первых, щадящий режим воздействия рабочих органов - лопастей 18 и 19 - на дно 20 и, во-вторых, минимальный захват донного ила при работе добычного комплекса.

После полуоборота фермы 14 относительно напорного трубопровода 2 и выработки конкреций 22 с площади, ограниченной кругом радиуса l, трубопровод 2 с навесным оборудованием приподнимается над дном 20 с помощью подъемной стрелы 5 и перемещается поворотным краном 6 в горизонтальной плоскости на соседний участок и снова опускается на дно 20 для отработки этого участка залежи.

Подрешетный продукт колосниковой решетки 30 - вода с остатками илистых частиц - поступает в зумпф 32, откуда по гибкому шлангу 33 может сбрасываться в придонную зону. Контейнеры 31 по мере их заполнения конкрециями 22 перемещаются в зону их размещения на судне 1.

Процесс непрерывной отработки залежи конкреций 22 без передвижки базового судна 1 начинается с размещения напорного трубопровода 2 с помощью поворотного крана 6 у одного из бортов базового судна 1 и заканчивается при размещении напорного трубопровода 2 у другого борта базового судна 1. При этом при повороте стрелы 5 крана 6 и фермы 14 относительно оси трубопровода 2 на угол 180 градусов обеспечивается сбор конкреций 22 с площади, примерно равной π(α+l)².

После отработки данного участка с помощью крана 6 напорный трубопровод 2 приподнимается над дном 20, а базовое судно 1 перемещается на смежный участок, на котором цикл работ производится в описанном выше порядке. Периодически или после того, как все контейнеры 31 будут заполнены конкрециями 22, контейнеры с конкрециями с базового судна 1 перегружаются на транспортное судно, а на базовое судно подаются порожние контейнеры.

Отличительные признаки изобретения позволяют упростить и удешевить конструкцию комплекса и обеспечивают щадящий режим добычи конкреций без значительного нарушения структуры придонного слоя.

Устройство относится к гидромеханизированным комплексам для добычи конкреций с морского дна. Технический результат - упрощение и удешевление конструкции комплекса и обеспечение щадящего режима добычи конкреций. Устройство для добычи конкреций включает базовое судно, пульпонасос с всасывающим и выходным патрубками, напорный трубопровод, соединенный фланцем с выходным патрубком, и перфорированный патрубок. При этом размеры отверстий перфорированного патрубка приняты равными минимальному размеру добываемых конкреций. Напорный трубопровод ориентирован вертикально. Надводная часть трубопровода с помощью обоймы шарнирно закреплена на конце подъемной стрелы поворотного крана, установленного на базовом судне, с возможностью подъема и опускания напорного трубопровода, а также его перемещения в горизонтальной плоскости. Верхняя часть трубопровода гибким шлангом соединена с приемным приспособлением для конкреций. На средней части трубопровода симметрично относительно его продольной оси и с расположением вдоль него размещены четыре понтона цилиндрической формы с возможностью заполнения их водой и продувки сжатым воздухом. При этом понтоны размещены на трубопроводе между закрепленными на нем фланцами и соединены между собой и прижаты к трубопроводу с помощью гибких бандажей. На нижней части трубопровода с возможностью вращения относительно него в горизонтальной плоскости установлена консольная поворотная ферма. Ферма кинематически связана с приводом ее поворота. Снизу к ферме прикреплены симметрично расположенные относительно всасывающего патрубка две вертикально ориентированные в поперечном сечении лопасти с возможностью их опирания на дно акватории, захвата ими конкреций и их перемещения к всасывающему патрубку. Каждая из лопастей в плане спрофилирована по логарифмической спирали с полюсом, совпадающим с осью всасывающего патрубка. Причем внешняя относительно всасывающего патрубка кромка лопасти и ее нижняя кромка отогнуты в сторону вращения фермы. К всасывающему патрубку лопасть примыкает с минимальным кольцевым зазором в плане. Всасывающий патрубок выполнен в виде расширяющегося вниз усеченного конуса. Приемное приспособление для конкреций выполнено в виде наклонной колосниковой решетки с возможностью перегрузки с нее обезвоженных конкреций в передвижные контейнеры, а под колосниковой решеткой размещен зумпф. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Комплекс для добычи конкреций, содержащий базовое судно, пульпонасос с всасывающим и выходным патрубками, напорный трубопровод, соединенный фланцем с выходным патрубком, и перфорированный патрубок с размерами отверстий, равными минимальному размеру добываемых конкреций, отличающийся тем, что напорный трубопровод ориентирован вертикально, а его надводная часть с помощью обоймы шарнирно закреплена на конце подъемной стрелы поворотного крана, установленного на базовом судне, с возможностью подъема и опускания напорного трубопровода, а также его перемещения в горизонтальной плоскости, верхняя часть трубопровода гибким шлангом соединена с приемным приспособлением для конкреций, на средней части трубопровода симметрично относительно его продольной оси и с расположением вдоль него размещены четыре понтона цилиндрической формы с возможностью заполнения их водой и продувки сжатым воздухом, при этом понтоны размещены на трубопроводе между закрепленными на нем фланцами и соединены между собой и прижаты к трубопроводу с помощью гибких бандажей, на нижней части трубопровода с возможностью вращения относительно него в горизонтальной плоскости установлена консольная поворотная ферма, кинематически связанная с приводом ее поворота, а снизу к ферме прикреплены симметрично расположенные относительно всасывающего патрубка две вертикально ориентированные в поперечном сечении лопасти с возможностью их опирания на дно акватории, захвата ими конкреций и их перемещения к всасывающему патрубку, каждая из лопастей в плане спрофилирована по логарифмической спирали с полюсом, совпадающим с осью всасывающего патрубка, причем внешняя относительно всасывающего патрубка кромка лопасти и ее нижняя кромка отогнуты в сторону вращения фермы, а к всасывающему патрубку лопасть примыкает с минимальным кольцевым зазором в плане, при этом параметры логарифмической спирали, определяющей профиль каждой лопасти, выбраны, исходя из соотношения
φ^-1ln(ρa^-1)<f,
где φ - мгновенная угловая координата, рад,
ρ - мгновенный радиус, м,
а - масштабный коэффициент, равный отношению линейной и угловой скоростей при построении профиля логарифмической спирали, м,
f - коэффициент трения скольжения конкреций с вмещающей породой по внутренней поверхности лопасти,
при этом всасывающий патрубок выполнен в виде расширяющегося вниз усеченного конуса, приемное приспособление для конкреций выполнено в виде наклонной колосниковой решетки с возможностью перегрузки с нее обезвоженных конкреций в передвижные контейнеры, а под колосниковой решеткой размещен зумпф.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что лопасти выполнены со щелевыми отверстиями.

3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что внутренние поверхности лопастей покрыты слоем из гидрофобного материала.

4. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что зумпф снабжен отводящим трубопроводом, ориентированным в сторону дна акватории.