ДНОУГЛУБИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ОСАДОЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ СО ДНА
APPARATUS AND METHOD FOR DREDGING OF SEDIMENTS FROM SEABED

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области дноуглубительных систем для удаления осадочных отложений со дна водного пространства, например, такого как дно моря, дно реки, дно озера, дно болота и т.д.
Конкретнее, настоящее изобретение относится к дноуглубительному устройству для удаления осадочных отложений со дна водного пространства, а также к способу дноуглубления, который может быть реализован при помощи упомянутого устройства.
Уровень техники
В области удаления осадочных отложений черпанием со дна моря, реки или озера фактически известны три типа дноуглубительных устройств: дноуглубительные устройства с использованием насосов (так называемые всасывающе-нагнетательные насосы, шнековые насосы, лопастные насосы, диафрагменные насосы), дноуглубительные устройства с грейферами и так называемые многочерпаковые дноуглубительные устройства, в которых используется ряд черпаков или ковшей, приводимых в движение цепью.
В дноуглубительных устройствах первого типа обычно применяется насос, функция которого заключается в подводе энергии к водной пульпе из осадочных отложений (водно-осадочной пульпе), засасываемой таким образом, чтобы протолкнуть ее в нагнетательный (или обратный) трубопровод, преодолевая потери, вызванные трением и воздействием изменений уклона.
Чтобы обеспечить возможность удаления осадочных отложений, которое в противном случае было бы очень ограниченным, применяются различные типы перемешивающих/дезагрегирующих устройств, назначение которых состоит в дезагрегации и удержании осадочных отложений во взвешенном состоянии для создания взвеси, которая может всасываться насосом.
В настоящее время фактически используются два типа перемешивающих устройств: механического и водоструйного типа.
Первый тип перемешивающих устройств обычно состоит из ряда лопастей с покрытиями, выполненными из износостойкого материала, поворачиваемых выступающей частью приводного вала рабочего колеса насоса или при помощи вспомогательных двигателей, непосредственно расположенных рядом с входным патрубком самого насоса, когда необходимо работать на особо низких скоростях вращения.
Во втором типе перемешивающих устройств, с другой стороны, применяется ряд насадок, расположенных рядом с входным патрубком насоса, которые направляют ко дну воду под давлением, достигая эффекта дезагрегации, приводя осадочные отложения во взвешенное состояние и выполняя предварительное смешивание благодаря образованию турбулентности.
Дноуглубительные устройства так называемого грейферного типа, с другой стороны, содержат один или несколько ковшей, образованных их двух противоположных ковшей с центральным шарнирным соединением, которые опираются на дно в открытом положении и позволяют удалять осадочные отложения со дна.
Принцип работы этих дноуглубительных устройств состоит в следующем: на поверхности ковши удерживают в открытом состоянии с помощью крюка, а затем опускают при постоянной низкой скорости. Ковши снабжены отверстиями, которые позволяют воздуху выходить во время погружения. Когда ковш касается дна, удерживающий крюк отсоединяется и, во время подъема, ковши захватывают осадочные отложения благодаря системе рычажных тяг. Количество извлеченного материала зависит от плотности дна, а также от размера и веса ковшей.
Дноуглубительные устройства так называемого многочерпакового типа, с другой стороны, содержат ряд черпаков или ковшей, прикрепленных к цепи, которая, скользя по направляющей, имеющей изменяемый угол наклона относительно судна и наклоненной соответствующим образом, чтобы опираться на дно, позволяет удалять осадочные отложения со дна.
Раскрытие изобретения
Заявитель установил, что упомянутые выше известные дноуглубительные устройства, в которых применяются насосы, имеют ряд недостатков, для устранения которых до сих пор не найдено правильное решение.
Первый недостаток фактически связан с тем, что применяемые перемешивающие/дезагрегирующие устройства позволяют работать с содержанием твердого материала в водно-осадочной пульпе, которое, как правило, не превышает 20-25 процентов по объему (что обычно эквивалентно 40-45% по весу), при этом в любом случае эффективность снижается по мере увеличения глубины выработки.
Необходимость удерживать во взвешенном состоянии осадочные отложения в свою очередь влечет за собой низкую эффективность дноуглубительного устройства, т.е. необходимость перемещать воду с очень высоким расходом для обеспечения удаления осадочных отложений, при наличии нежелательных дополнительных негативных последствий, таких как размер насоса, его приводного двигателя, выпускных каналов и, вследствие этого, неизбежных отрицательных последствий в виде затрат времени и средств на дноуглубительные работы.
Второй серьезный недостаток по существу связан с тем, что применяемые перемешивающие/дезагрегирующие приспособления создают мутность воды, которая делает дноуглубительные устройства так называемого всасывающе-нагнетательного типа непригодными для использования на участках для дноуглубительных работ типа УТН (участок территориального значения), УНН (участок национального значения) или в любом случае в районах, где по экологическим соображениям запрещено создание мутности воды и(или) рассеивание загрязняющих осадочных отложений в воде.
В упомянутых выше районах отсутствие мутности по существу является одним из режимных параметров, которые обычно задают для того, чтобы избежать возможного неравновесия экологической системы (фауны и флоры), вызывающего ущерб для окружающей среды, или чтобы избежать рассеивания осажденных загрязняющих материалов, которые распространялись бы повторно в результате дезагрегирующего действия перемешивающих/дезагрегирующих приспособлений, оказывая в итоге вредное воздействие на окружающую среду и на жизнеспособность флоры и фауны.
Конкретнее, способы дноуглубления в районах УНН в соответствии с существующими стандартами должны минимизировать воздействие на окружающую среду и достигать следующих целей:
- безопасное и точное углубление дна со сведением к минимуму количества воды, присутствующей в удаляемых материалах;
- приближение количества рассеиваемого материала к нулю или, во всяком случае, к минимуму, с использованием закрытых систем по мере возможности;
- ограничение мутности и рассеивания загрязняющих веществ, вызванных дноуглубительными работами.
Очевидно, однако, что этих целей нельзя достичь при помощи какого-либо дноуглубительного устройства, снабженного перемешивающими /дезагрегирующими приспособлениями.
Третий недостаток по существу связан с тем, что механическое дезагрегирование, выполняемое такими известными дноуглубительными устройствами, не позволяет осуществлять безопасную эксплуатацию последних при наличии тросов, цепей или других посторонних предметов большого объема: следовательно, эти устройства нельзя применять в портах или реках, используемых для навигационной деятельности, или в районах, где без предварительного траления могут быть обнаружены остатки взрывных устройств, что влечет за собой дополнительные издержки в виде временных и финансовых затрат на дноуглубительные работы.
Заявитель также установил, что, хотя дноуглубительные устройства грейферного типа отличаются простотой эксплуатации, что делает их пригодными для углубления дна на участках УНН, эти дноуглубительные устройства имеют также ряд недостатков, которые все же ограничивают их эффективность. Конкретно, дноуглубительные устройства грейферного типа имеют:
- низкую точность позиционирования и небольшой объем удаляемых осадочных отложений;
- низкую способность приближения к нулю или, во всяком случае, сведения к минимуму количества материала, рассеиваемого на стадиях погрузки и перемещения удаляемых осадочных отложений;
- низкую способность ограничивать мутность воды при выполнении рабочих шагов, создающее восходящую турбулентность; - низкую производительность;
- недостаточную эксплуатационную безопасность без предварительного траления остатков взрывных устройств;
- низкую или ограниченную работоспособность на дне, загрязненном из-за присутствия посторонних тел (таких как цепи, бревна, канаты, якоря или другие материалы большого объема).
Таким образом, заявитель видит возможность по меньшей мере частичного устранения упомянутых выше недостатков и, конкретнее, возможность предоставления дноуглубительного устройства для удаления осадочных отложений со дна водного пространства, которое можно использовать без каких-либо ограничений также на УТН или УНН или, во всяком случае, в районах, где по экологическим соображениям не разрешается создавать мутность воды, путем воздействия на гидродинамические характеристики дноуглубительных работ, в частности, путем создания перед всасывающим насосом области достаточно пониженного давления, позволяющей обусловливать всасывание количества жидкости, способного эффективно удалять отложения без вмешательства «активных» дезагрегирующих приспособлений механического или насадочного типа.
Конкретнее, согласно первому аспекту, настоящее изобретение относится к дноуглубительному устройству для удаления осадочных отложений со дна водного пространства, содержащему всасывающий аппарат, который включает в себя:
a) погружной насос, включающий:
а1) корпус, оснащенный входным патрубком и выпускным отверстием;
а2) рабочее колесо, поддерживаемое с возможностью вращения в указанном корпусе между указанным входным патрубком и указанным выпускным отверстием и приводимое во вращение соответствующим приводным устройством;
b) всасывающую головку, связанную с указанным входным патрубком корпуса насоса и снабженную внизу отверстием для всасывания осадочных отложений;
причем всасывающее отверстие головки имеет площадь поперечного сечения, величина которого рассчитана на достижение в пределах рабочего диапазона насоса скорости всасывания, позволяющей удалять осадочные отложения при помощи гидродинамического удаляющего воздействия, осуществляемого водой, всасываемой в указанную головку.
Согласно второму аспекту, настоящее изобретение относится к способу дноуглубления для удаления осадочных отложений со дна водного пространства, включающему следующие шаги:
a) позиционируют вблизи от дна всасывающий аппарат, который включает в себя:
погружной насос, включающий:
- корпус, оснащенный входным патрубком и выпускным отверстием для воды;
- рабочее колесо, поддерживаемое с возможностью вращения в указанном корпусе между указанным входным патрубком и указанным выпускным отверстием и приводимое во вращение соответствующим приводным устройством;
всасывающую головку, связанную с указанным входным патрубком корпуса насоса и снабженную внизу отверстием для всасывания осадочных отложений, имеющим продольную ось, ориентированную практически вертикально в процессе эксплуатации;
b) управляют погружным насосом таким образом, чтобы достичь в его рабочем диапазоне скорости всасывания, позволяющей удалять осадочные отложения при помощи гидродинамического удаляющего воздействия, осуществляемого водой, всасываемой в указанную головку.
В нижеследующем описании и пунктах формулы изобретения термин «осадочные отложения» будет использоваться для обозначения любого типа твердого или полутвердого вещества, осажденного под действием силы тяжести на дне водного пространства, например, такого как песок, гравий, иловая глина, илы и наносная порода.
В нижеследующем описании и пунктах формулы изобретения термин «водное пространство» следует понимать в самом широком смысле, включая не только воды, существенно ограниченные по глубине и ширине, такие как озера, порты, водосборные бассейны, болота и т.д., но и открытые или свободно текущие воды, такие как моря и реки.
В нижеследующем описании и пунктах формулы изобретения термин «погружной насос» будет использоваться для обозначения насоса, оснащенного рабочим колесом и соответствующим герметичным приводным устройством, оба из которых погружают в водное пространство, где необходимо провести дноуглубительные работы, или, во всяком случае, любого насоса, способного создавать пониженное давление внутри головки, такого как насос с пульсирующим потоком, например, перистальтический, поршневой и мембранный насос.
В нижеследующем описании и пунктах формулы изобретения термин «рабочее колесо» будет использоваться для обозначения любого типа лопастного колеса, которое позволяет преобразовывать энергию, подаваемую приводным устройством, в кинетическую энергию. Так, например, рабочее колесо может быть снабжено рядом формованных лопастей, расположенных радиально на дискообразном корпусе (в этом случае насос относится к центробежному типу), или рядом радиальных лопастей, расходящихся от ступицы (в этом случае насос относится к аксиальному типу), или быть выполнено в виде кулачков или червячного винта.
В нижеследующем описании и пунктах формулы изобретения термин «приводное устройство» будет использоваться для обозначения любого аппарата, такого как, например, гидравлический или электрический двигатель, или любой трансмиссии, выполненной по кинематической схеме, способной поворачивать рабочее колесо насоса с нужной скоростью.
В нижеследующем описании и пунктах формулы изобретения термин «рабочий диапазон насоса» будет использоваться для обозначения сочетания расхода и напора, которые позволяют насосу данного размера и мощности выполнять дноуглубительные работы.
В рамках настоящего изобретения и пунктов формулы изобретения подразумевается, что параметр «скорость всасывания» измеряется на всасывающем отверстии всасывающей головки или непосредственно перед ним. Следует также понимать, что этот параметр относится и к воде как таковой, и к водно-осадочной пульпе в зависимости от условий эксплуатации дноуглубительного устройства.
В рамках настоящего изобретения и пунктов формулы изобретения подразумевается, что параметр «скорость жидкой фазы, рециркулирующей в направлении всасывающего отверстия» измеряется на всасывающем отверстии всасывающей головки или непосредственно перед ним.
В рамках настоящего изобретения и пунктов формулы изобретения следует понимать, что всем числам, выражающим неисчисляемые и исчисляемые количества, проценты и так далее, всегда предшествует термин «приблизительно» за исключением случаев, когда конкретно указано иное. Кроме того, все интервалы числовых элементов включают все возможные комбинации максимальных и минимальных численных значений и все их возможные промежуточные интервалы в дополнение к тем, которые специально указаны ниже.
Наконец, в нижеследующем описании и пунктах формулы изобретения термины «горизонтальный», «вертикальный», «верхний», «нижний» и «поперечный» будут использоваться для обозначения геометрических и конструктивных элементов дноуглубительного устройства и образующих его компонентов в соответствии с их ориентацией при данных условиях использования.
В соответствии с настоящим изобретением и благодаря наличию такого оборудования, как:
- погружной насос, включающий рабочее колесо и соответствующее приводное устройство, оба из которых могут быть погружены в водное пространство в ходе дноуглубительных работ, и
- всасывающая головка, имеющая отверстие для всасывания осадочных отложений с правильно рассчитанными размерами площади поперечного сечения,
можно подвести головку для всасывания осадочных отложений максимально близко к дну, и также существенно увеличить скорость всасывания в рабочем диапазоне насоса без возникновения явлений кавитации, одновременно создавая область сильного понижения давления на всасывающем отверстии и непосредственно перед ним таким образом, чтобы втягивать из-за внешнего периметра всасывающего отверстия головки воду и осадочные отложения, которые при этом размываются - без существенного рассеивания - за счет эффекта гидродинамического удаляющего воздействия, осуществляемого водой, всасываемой в головку.
Иными словами, в отличие от дноуглубительных устройств известного так называемого всасывающе-нагнетательного типа, в дноуглубительном устройстве согласно настоящему изобретению отсутствуют перемешивающие/дезагрегирующие приспособления (механического типа или основанные на использовании водяной струи), либо детали или устройства, выполняющие функцию дезагрегации и приведения осадочных отложений во взвешенное состояние, создавая тем самым взвесь, которая тем или иным образом рассеивается в воде и поэтому больше не всасывается за счет гидродинамического удаляющего воздействия, осуществляемого водой, всасываемой в головку.
Представляя собой резкий контраст, дноуглубительное устройство и способ дноуглубления согласно настоящему изобретению позволяют эффективно осуществлять дноуглубительные работы в отсутствие какого-либо контакта с дном за счет гидродинамического всасывания и удаления осадочных отложений, осуществляемого водой, которая всасывается при помощи всасывающей головки вследствие пониженного давления, создаваемого как на всасывающем отверстии головки, так и поблизости от указанного всасывающего отверстия, конкретно, ниже отверстия и вокруг него.
Таким образом, дноуглубительное устройство и способ дноуглубления согласно настоящему изобретению позволяют устранить все недостатки известных дноуглубительных устройств как всасывающе-нагнетательного, так и грейферного или многочерпакового типа, а также способов дноуглубления, реализуемых с помощью этих устройств.
Конкретно, данное дноуглубительное устройство и способ дноуглубления позволяют:
- всасывать водно-осадочную пульпу, имеющую высокое содержание твердых частиц, пока не будет достигнуто значение, равное или большее, чем 40% по объему, и обеспечивать высокую эффективность дноуглубления с точки зрения производительности;
- резко снизить воздействие на окружающую среду, обеспечивая возможность их применения на участках УТН или УНН или, во всяком случае, в районах, где, по экологическим соображениям, мутность воды и(или) рассеивание загрязняющих осадочных отложений в воде недопустимы;
- извлекать и, при необходимости, обрабатывать и(или) использовать вычерпываемые твердые материалы;
- сократить время и затраты на проведение работ.
Настоящее изобретение по меньшей мере в одном из упомянутых выше аспектов может иметь по меньшей мере один из предпочтительных признаков, которые описаны ниже.
Дноуглубительное устройство
Для целей настоящего изобретения всасывающее отверстие всасывающей головки предпочтительно имеет форму, обеспечивающую нужный расход всасывания в рабочем диапазоне насоса при упомянутой выше скорости, позволяющей удалять осадочные отложения при помощи гидродинамического удаляющего воздействия, осуществляемого водой, всасываемой в головку.
Таким образом, всасывающее отверстие головки может быть круглым, эллиптическим, многоугольным или принадлежать к другому типу, соответствующему дноуглубительным работам, которые необходимо выполнить.
По очевидным соображениям простоты конструкции всасывающее отверстие всасывающей головки предпочтительно является круглым или многоугольным.
Минимальный размер (минимальный диаметр в случае круглого всасывающего отверстия) предпочтительно составляет 100 мм, при этом максимальный размер (максимальный диаметр в случае круглого всасывающего отверстия) составляет 1500 мм. Более предпочтительно, размер (диаметр в случае круглого всасывающего отверстия) всасывающего отверстия находится в диапазоне от 200 мм до 1200 мм и, еще более предпочтительно, от 300 мм до 900 мм.
2
2
2
Площадь поперечного сечения всасывающего отверстия предпочтительно находится в диапазоне от 0,008 до 1,76 м. Более предпочтительно, площадь поперечного сечения всасывающего отверстия находится в диапазоне от 0,03 до 1,13 м и, еще более предпочтительно, от 0,07 до 0,63 м.
Таким образом, можно успешно задавать оптимальные значения размера всасывающего отверстия в соответствии с физическими и когезионными характеристиками подлежащих втягиванию осадочных отложений.
Работая в пределах указанных выше предпочтительных значений размеров всасывающего отверстия в зависимости от расхода погружного насоса (значение которого можно определить на стадии проектирования), можно, кроме того, успешно создавать область сильного понижения давления, обусловливающего всасывание водно-осадочной пульпы, которая может иметь очень высокую концентрацию твердых частиц.
В предпочтительном варианте осуществления всасывающее отверстие головки имеет площадь поперечного сечения меньшую, чем максимальная площадь поперечного сечения всасывающей головки.
Таким образом, в пределах всасывающей головки можно успешно создать калибруемое сечение, которое создает область сильного понижения давления на всасывающем отверстии головки и вблизи от указанного всасывающего отверстия с получаемой в итоге высокой скоростью всасывания воды или водно-осадочной пульпы.
Предпочтительно, как станет понятнее ниже, средняя скорость всасывания, измеряемая на всасывающем отверстии всасывающей головки, может изменяться в пределах от 0,3 м/с до 30 м/с по существу в зависимости от размера частиц (гранулометрического состава) и когезионных характеристик осадочных отложений.
Конкретнее, средняя скорость всасывания является функцией следующих параметров:
- размера частиц и когезионных характеристик всасываемого материала;
- степени загрязненности посторонними телами и их размера;
- глубины всасывания; и
- процентного содержания твердых частиц в получаемой водно-осадочной пульпе.
Кроме того, благодаря увеличению площади поперечного сечения после всасывающего отверстия можно успешно достичь достаточного уменьшения средней скорости водно-осадочной пульпы, всасываемой в головку, чтобы обеспечить возможность достаточного замедления всасываемого твердого материала (осадочных отложений, а также щебня или наносных пород различного вида).
Средняя скорость при максимальной площади поперечного сечения всасывающей головки находится в диапазоне от 0,1 м/с до 25 м/с.
В результате таких средних скоростей всасывания значение абсолютного давления на входном патрубке корпуса насоса предпочтительно поддерживается на уровне не ниже, чем 0,1 бар для того, чтобы не инициировать нежелательные кавитационные явления.
Очевидно, что, в зависимости от глубины выработки, т.е. от значения давления жидкости над всасывающей головкой и связанным с ней насосом, можно обеспечить понижение давления внутри всасывающей головки и, в частности, на входном патрубке корпуса насоса со значениями абсолютного давления даже большими, чем 1 бар, например, когда дноуглубительные работы выполняются на глубинах, превышающих 10 м.
В этом случае давление жидкости дополнительно способствует выполнению дноуглубительных работ, выполняемых при помощи устройства и способа настоящего изобретения, поскольку давление жидкости позволяет, если нужно, увеличить скорость всасывания без значительного приближения к условиям, способствующим возникновению кавитации у насоса.
Для целей настоящего изобретения всасывающая головка может иметь ряд различных форм.
В предпочтительном варианте осуществления, независимо от конкретной формы всасывающей головки, последняя может содержать перфорированную перегородку, закрепленную в головке позади всасывающего отверстия и выполненную с возможностью удерживать частицы твердого материала, размер которых превышает проходное сечение отверстий, выполненных в перфорированной перегородке.
Перфорированная перегородка предпочтительно установлена стационарно внутри всасывающей головки.
Для целей настоящего изобретения форма, размер, распределение и количество отверстий могут быть выбраны специалистом в соответствии с характеристиками гранулометрического состава всасываемых осадочных отложений, чтобы добиться оптимальной эффективности последовательных шагов по отделению и очистке от примесей всасываемых частиц твердого материала.
Так, например, форма отверстий, выполненных в перфорированной перегородке, может быть круглой, эллиптической или многоугольной в соответствии с характеристиками гранулометрического состава осадочных отложений.
Отверстия, выполненные в перфорированной перегородке, предпочтительно равномерно распределены в части перегородки, открытой для прохождения водно-осадочной пульпы.
Минимальный размер (минимальный диаметр в случае круглых отверстий) предпочтительно составляет 15 мм, при этом максимальный размер (максимальный диаметр в случае круглых отверстий) составляет 300 мм.
2
Отверстия, выполненные в перфорированной перегородке, предпочтительно круглые и имеют площадь проходного поперечного сечения в диапазоне от 175 до 75000 мм.
Позиционирование перфорированной перегородки внутри всасывающей головки позволяет успешно получать не только большую эксплуатационную гибкость дноуглубительного устройства по сравнению с известными дноуглубительными устройствами, поскольку любые крупные твердые остатки теперь не могут препятствовать работе всасывающей головки, но и обеспечивает возможность отделения частиц твердого материала, размер которых превышает проходное сечение отверстий, выполненных в перфорированной перегородке, от остальной части осадочных отложений, путем удержания такого материала в зоне головки, расположенной перед перфорированной перегородкой, для последующего извлечения и удаления.
Иными словами, перфорированная перегородка успешно выполняет функцию сортирующей перегородки, которая осуществляет первичный отбор по размеру частиц осадочных отложений, всасываемых при помощи всасывающей головки.
Кроме того, условия пониженного давления, создаваемые внутри всасывающей головки во время дноуглубительных работ, позволяют успешно удерживать крупные частицы твердого материала, отделенные перфорированной перегородкой, внутри всасывающей головки, и, тем самым, обеспечивают возможность извлечения такого материала путем выведения его из углубленной зоны, чтобы затем удалить этот материал наиболее удобным способом.
В частности, в случае дноуглубления на загрязненных участках эта характеристика позволяет всасывающей головке выполнять энергетическую промывку осадочных отложений, размеры которых превышают размеры отверстий перфорированной перегородки, чтобы удалить все загрязняющие примеси и обеспечить возможность извлечения или удаления осадочных отложений при более низких затратах.
В случае когда перфорированная перегородка закреплена во всасывающей головке, предпочтительный признак, в соответствии с которым всасывающее отверстие головки имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем максимальная площадь поперечного сечения всасывающей головки, позволяет получить дополнительные важные и полезные технические эффекты, такие как:
- ограничение механических напряжений на перфорированной перегородке;
- ограничение явлений износа вследствие ударных воздействий на перфорированную перегородку;
- обеспечение достаточной автономности между операцией очистки зоны перед перфорированной перегородкой и операцией очистки следующей зоны;
- выполнение предварительной сортировки всасываемых осадочных отложений с целью оптимизации последующих шагов отделения и(или) очистки от примесей.
В предпочтительном варианте осуществления всасывающая головка может обладать цилиндрической формой и имеет практически постоянную площадь поперечного сечения (при этом равную максимальной площади поперечного сечения головки).
В другом предпочтительном варианте осуществления всасывающая головка содержит по меньшей мере первую часть, расположенную ближе к всасывающему отверстию и имеющую площадь поперечного сечения, постепенно возрастающую при удалении от указанного отверстия, и вторую часть, расположенную дальше от всасывающего отверстия и имеющую практически постоянную площадь поперечного сечения.
При этом можно успешно как постепенно уменьшать скорость водно-осадочной пульпы, всасываемой в головку, так и способствовать очистке всасывающей головки от наносных пород, удерживаемых перед перфорированной перегородкой, которая может находиться в самой головке.
Таким образом, при этом можно успешно оптимизировать геометрические и гидродинамические характеристики зоны всасывающей головки, расположенной ближе к всасывающему отверстию (перед перфорированной перегородкой, если имеется).
В указанной выше первой части всасывающей головки, расположенной ближе к всасывающему отверстию, предпочтительно предусмотрена нижняя стенка, имеющая угол наклона по отношению к продольной оси всасывающего отверстия в диапазоне от 5 до 85° и, еще более предпочтительно, от 25 до 70°.
В рамках настоящего изобретения и пунктов формулы изобретения подразумевается, что значения углового наклона измеряют в направлении по часовой стрелке, начиная от продольной оси всасывающего отверстия и учитывая детали, расположенные вправо от этой оси при использовании головки в вертикальном положении.
Очевидно, что, по соображениям симметрии, такие значения углового наклона идентичны тем, которые измеряют в направлении против часовой стрелки, начиная от продольной оси всасывающего отверстия и учитывая детали, расположенные слева от этой оси.
В другом предпочтительном варианте осуществления всасывающая головка содержит первую часть, расположенную ближе к всасывающему отверстию и имеющую практически постоянную площадь поперечного сечения, и вторую часть, расположенную дальше от всасывающего отверстия и имеющую площадь поперечного сечения, постепенно убывающую при удалении от указанной первой части.
Таким образом, можно успешно оптимизировать геометрические и гидродинамические характеристики зоны всасывающей головки, расположенной дальше от всасывающего отверстия (после перфорированной перегородки, если имеется), в частности, повышая гидродинамическую эффективность головки возле входного патрубка корпуса насоса и оптимизируя работу последнего.
В другом предпочтительном варианте осуществления всасывающая головка содержит по меньшей мере первую часть, расположенную ближе к всасывающему отверстию и имеющую площадь поперечного сечения, постепенно возрастающую при удалении от указанного отверстия, и вторую часть, расположенную дальше от всасывающего отверстия и имеющую площадь поперечного сечения, постепенно убывающую при удалении от указанной первой части.
Таким образом, можно также успешно оптимизировать геометрические и гидродинамические характеристики зоны всасывающей головки, расположенной ближе к всасывающему отверстию, и зоны, расположенной дальше от такого отверстия (соответственно, перед и после перфорированной перегородки, если имеется).
В указанной выше второй части всасывающей головки, расположенной дальше от всасывающего отверстия, предпочтительно предусмотрена верхняя стенка, имеющая угол наклона по отношению к продольной оси всасывающего отверстия в диапазоне от 95 до 175° и, еще более предпочтительно, от 120 до 150°.
В предпочтительном варианте осуществления всасывающая головка содержит пару частей, расположенных ближе к всасывающему отверстию и имеющих площадь поперечного сечения, постепенно возрастающую при удалении от указанного отверстия, и разный угол наклона относительно продольной оси всасывающего отверстия.
Конкретнее, всасывающая головка предпочтительно содержит первую часть нижней стенки, расположенную ближе к всасывающему отверстию и имеющую угол наклона относительно продольной оси всасывающего отверстия в диапазоне от 0 до 85° и, еще более предпочтительно, от 5 до 70°, и вторую часть нижней стенки, имеющую угол наклона относительно такой продольной оси в диапазоне от 5 до 80° и, еще более предпочтительно, от 25 до 65°.
Таким способом можно эффективно обеспечить всасывающую головку элементом, который уменьшает ее поперечное сечение, что, в случае сильно связанных осадочных отложений (например, плотной глины) позволяет получать уменьшенную до нужных размеров площадь поперечного сечения всасывающего отверстия, чтобы увеличить скорость всасывания и, тем самым, улучшить способность головки удалять осадочные отложения.
В предпочтительном варианте осуществления этот уменьшающий сечение элемент может содержать ряд вырезов, образованных на наружной кромке всасывающего отверстия, чтобы предотвратить инициирование возможных кавитационных явлений в случае случайного касания дна.
В другом предпочтительном варианте осуществления всасывающая головка содержит также промежуточную часть, расположенную между первой и второй частями всасывающей головки.
В первом предпочтительном варианте осуществления эта промежуточная часть имеет практически постоянную площадь поперечного сечения.
Во втором предпочтительном варианте осуществления промежуточная часть содержит нижнюю часть, расположенную ближе к всасывающему отверстию и имеющую площадь поперечного сечения, постепенно возрастающую при удалении от указанного отверстия, и верхнюю часть, расположенную дальше от всасывающего отверстия и имеющую площадь поперечного сечения, постепенно убывающую при удалении от указанной нижней части.
В этом случае промежуточная часть предпочтительно образована двумя соседними концевыми частями указанных выше первой и второй части всасывающей головки и имеет меньший угол наклона относительно продольной оси всасывающего отверстия по сравнению с оставшейся частью первой и второй частей соответственно.
Вследствие этого нижний участок промежуточной части имеет площадь поперечного сечения, постепенно возрастающую при удалении от всасывающего отверстия (хотя и в меньшей степени по сравнению с возрастанием в нижней части головки, обусловленным большим углом наклона первой части всасывающей головки), а верхний участок - площадь поперечного сечения, постепенно убывающую при удалении от концевого участка первой части всасывающей головки (хотя и в меньшей степени по сравнению с возрастанием в верхней части головки, обусловленным большим углом наклона второй части всасывающей головки).
Нижний участок промежуточной части (предпочтительно состоящий из верхнего конца первой части всасывающей головки) предпочтительно имеет угол наклона относительно продольной оси всасывающего отверстия в диапазоне от 0 до 80° и, еще более предпочтительно, от 20 до 65°.
Верхний участок промежуточной части (предпочтительно состоящий из нижнего конца второй части всасывающей головки) предпочтительно имеет угол наклона относительно продольной оси всасывающего отверстия в диапазоне от 100 до 180° и, еще более предпочтительно, от 115 до 160°.
В рамках предпочтительного варианта осуществления, в котором всасывающая головка содержит промежуточную часть, расположенную между первой и второй частью всасывающей головки, особенно предпочтительно и желательно, чтобы указанная перфорированная перегородка, при наличии, была закреплена во всасывающей головке в указанной промежуточной части головки.
Конфигурация промежуточной части всасывающей головки и, в особенности, наличие двойного угла наклона головки, позволяет получить следующие полезные технические эффекты:
- предотвращение захватывания частиц твердого материала, имеющих меньший размер, чем проходное сечение отверстий, выполненных в перфорированной перегородке, между нижней стенкой головки и перфорированной перегородкой, которое препятствует их прохождению за пределы последней;
- предотвращение захватывания частиц твердого материала, имеющих больший размер, чем проходное сечение отверстий, выполненных в перфорированной перегородке, между нижней стенкой головки и перфорированной перегородкой, которое затрудняет опорожнение зоны головки, расположенной перед перфорированной перегородкой (части, ближней к всасывающему отверстию);
- предотвращение захватывания частиц твердого материала, имеющих меньший размер, чем проходное сечение отверстий, выполненных в перфорированной перегородке, между верхней стенкой головки и перфорированной перегородкой, которое препятствует их вытягиванию насосом.
Предпочтительно, чтобы упомянутые выше первая и(или) вторая часть и(или) промежуточная часть всасывающей головки практически имели форму усеченного конуса, чтобы упростить операции их изготовления.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления упомянутые выше первая и(или) вторая часть всасывающей головки (включая дополнительную оконечную часть, имеющую другой угол наклона и(или) промежуточную часть, при наличии) могут состоять из многогранных стенок, содержащих набор плоских сегментов, соответствующим образом наклоненных относительно продольной оси всасывающего отверстия и соединенных боковыми сторонами.
Для целей настоящего изобретения всасывающая головка может быть выполнена в виде одной цельной детали или, альтернативно, может состоять из двух или большего количества конструктивно независимых частей (например, нижней части, верхней части и, в некоторых случаях, промежуточной части), соединенных друг с другом съемным способом при помощи традиционных средств фиксации, например, таких как набор болтов, вставляемых во фланец или в подходящие радиальные внешние ребра, имеющие надлежащие отверстия.
В этом случае можно успешно устанавливать перфорированную перегородку съемным способом между частями головки и демонтировать всасывающую головку (включая перфорированную перегородку), тем самым облегчая операции ее очистки и технического обслуживания.
В другом предпочтительном варианте осуществления часть всасывающей головки, дальнюю от всасывающего отверстия, можно снабдить одним или несколькими смотровыми отверстиями, чтобы обеспечить возможность осмотра внутреннего объема всасывающей головки и проверки возможной необходимости вмешательства в целях удаления твердых материалов, удерживаемых перфорированной перегородкой, и(или) вмешательства в целях проведения технического обслуживания или ремонтных работ.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления дноуглубительное устройство имеет набор элементов для отклонения потока, присоединенных к всасывающей головке вблизи от указанного всасывающего отверстия.
Таким образом, можно придавать конкретную эффективную ориентацию потоку воды, всасываемому из зон, расположенных спереди и позади всасывающего отверстия головки, в зависимости от внутреннего и(или) внешнего расположения элементов для отклонения потока на самой всасывающей головке.
Так, в первом предпочтительном варианте осуществления элементы для отклонения потока могут быть расположены снаружи на всасывающей головке вблизи от всасывающего отверстия: при этом можно успешно способствовать эрозии (размыванию) осадочных отложений при помощи потока воды, втягиваемого в направлении всасывающего отверстия в соответствии с высоконаправленным радиальным или поворотным движением центробежного типа, в частности, при наличии плотных осадочных отложений.
В другом предпочтительном варианте осуществления элементы для отклонения потока могут быть расположены внутри всасывающей головки вблизи от всасывающего отверстия: при этом можно успешно придавать всасываемой водно-осадочной пульпе высоконаправленное радиальное или круговое движение центробежного типа, которое способствует ее перемещению в направлении входного патрубка насоса.
Очевидно, что можно также задавать как внутреннюю, так и внешнюю конфигурацию элементов для отклонения потока, тем самым обеспечивая эффективное сочетание упомянутых выше технических эффектов.
В рамках этих предпочтительных вариантов осуществления элементы для отклонения потока предпочтительно состоят из набора ребер, имеющих практически прямолинейную или криволинейную форму, вытянутую в радиальном направлении или в наклонном направлении относительно указанного радиального направления.
При этом можно успешно достичь желаемого эффекта отклонения потока жидкости простым механическим способом, придавая потоку практически прямолинейное высоконаправленное движение или практически круговое движение центробежного типа.
В предпочтительном варианте осуществления дноуглубительное устройство содержит также отделительное устройство для разделения водно-осадочной пульпы, сбрасываемой из всасывающего аппарата, на жидкую фазу и твердую фазу, включающую осадочные отложения.
Для целей настоящего изобретения можно использовать любое подходящее устройство для разделения жидкой и твердой фазы, например, такое как центробежный циклонный сепаратор, диафрагменный фильтр, вибрационное или ротационное вибрационное сито или система флотации.
При этом можно как успешно извлекать осадочные отложения для последующей обработки, хранения или повторного использования, так и получать водный поток, практически свободный от осадочных отложений, который может циркулировать к всасывающей головке, как будет показано в нижеследующем описании.
Отделительное устройство предпочтительно находится на поверхности и устанавливается на корпусе дноуглубительного устройства, где установлены элементы для управления и позиционирования всасывающей головки и погружного насоса.
В рамках настоящего предпочтительного варианта осуществления дноуглубительное устройство предпочтительно содержит систему рециркуляции к всасывающей головке, конкретно, в направлении ее всасывающего отверстия, по меньшей мере части жидкой фазы, отделяемой указанным отделительным устройством.
Система рециркуляции предпочтительно относится к «пассивному» типу, иными словами, она не оснащена каким-либо дополнительным устройством, например, насосом, для повышения давления и активной циркуляции жидкой фазы в направлении всасывающей головки, а лишь содержит один или несколько каналов для перемещения циркулирующей жидкой фазы к всасывающей головке, конкретно, к всасывающему отверстию.
В этом предпочтительном варианте осуществления жидкая фаза циркулирует, таким образом, к всасывающему отверстию всасывающей головки «пассивным» способом; конкретнее, жидкая фаза втягивается в направлении отверстия всасывающей головки благодаря области понижения давления, создаваемой на таком отверстии и вблизи от него погружным насосом, который предусматривается по потоку за всасывающей головкой и представляет собой единственный перемещающий жидкость элемент в дноуглубительном устройстве.
При этом можно успешно осуществить циркуляцию в направлении всасывающего отверстия всасывающей головки по меньшей мере части жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства, предпочтительно, всей отделяемой жидкой фазы за исключением той части, которая остается в виде остаточной влажности в отделяемых и(или) очищаемых осадочных отложениях, без какого-либо дополнительного приводного элемента, просто за счет использования действия погружного насоса, который в любом случае уже предусмотрен для всасывания осадочных отложений в дноуглубительном устройстве.
Система рециркуляции предпочтительно также образует фактически замкнутый гидравлический контур, подразумевая под этим термином, что жидкость, циркулирующая в этом контуре, практически не вступает в контакт с окружающей средой за пределами головки.
Циркулирующая жидкость, которая непрерывно циркулирует в упомянутом выше замкнутом гидравлическом контуре без существенного обмена веществом с окружающей средой, успешно выполняет функцию разбавления водно-осадочной пульпы, засасываемой всасывающей головкой, регулируя ее плотность (задаваемую концентрацией твердых частиц) до значений, совместимых с правильной работой контура за погружным насосом, и, тем самым, оптимизируя эффективность всей системы в отношении всасывания и сброса пульпы, а также устройства разделения твердой и жидкой фаз, куда подается пульпа, обладающая характеристиками плотности, которые могут быть постоянными, контролируемыми и регулируемыми по желанию.
В этом предпочтительном варианте осуществления всасывающая головка предпочтительно снабжена внутренней полостью, определяющей внешнюю кольцевую часть указанного всасывающего отверстия и гидравлически соединенной с системой рециркуляции для подачи жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства, в направлении всасывающего отверстия и внутрь всасывающей головки.
Описанная выше первая часть всасывающей головки предпочтительно снабжена оболочкой, образующей часть всасывающей головки, имеющую двойную стенку (внутреннюю и внешнюю), которой ограничена упомянутая выше полость, находящаяся, таким образом, внутри головки.
В этом предпочтительном варианте осуществления такая оболочка образует внешнюю стенку первой части всасывающей головки (или ее части), а также внешний периметр всасывающего отверстия головки.
Поэтому в этом предпочтительном варианте осуществления минимальный размер отверстия, определяемый внутренней стенкой первой части всасывающей головки (минимальный диаметр в случае круглого отверстия), при наличии упомянутой выше полости составляет 70 мм, при этом максимальный размер (максимальный диаметр в случае круглого отверстия) составляет 1100 мм. Более предпочтительно, размер отверстия, определяемый внутренней стенкой первой части всасывающей головки (диаметр в случае круглого отверстия) находится в диапазоне от 135 до 850 мм и, еще более предпочтительно, от 210 до 650 мм.
2
2
2
Площадь поперечного сечения отверстия, определяемого внутренней стенкой первой части всасывающей головки, в этом случае предпочтительно находится в диапазоне от 0,004 до 0,90 м, чтобы учесть сечение полости для рециркуляции. Более предпочтительно, площадь поперечного сечения отверстия, определяемого внутренней стенкой первой части всасывающей головки, находится в диапазоне от 0,015 до 0,56 м и, еще более предпочтительно, от 0,035 до 0,32 м.
При этом можно осуществлять всасывание осадочных отложений путем оптимизации процентного содержания твердых частиц во всасываемой пульпе и использования системы рециркуляции для решения задачи поддержания равновесия системы дноуглубления и, с помощью этого, обеспечить непрерывность подачи на последующих шагах разделения и(или) очистки от примесей.
Этот дополнительный предпочтительный вариант осуществления дноуглубительного устройства позволяет получить ряд существенных полезных технических эффектов, включая:
- усиление эрозии/размыва осадочных отложений и, вследствие этого, эффективности дноуглубительных работ за счет подачи жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства, с заданной величиной расхода в направлении всасывающего отверстия головки в соответствии с высоконаправленным потоком;
- эффективное удержание зоны всасывания осадочных отложений в пределах периметра всасывающего отверстия (в этом случае, включая также полость, образованную внутри всасывающей головки и ограничивающую внешнюю кольцевую часть всасывающего отверстия), предотвращающее возникновение любых потенциальных явлений мутности воды;
- возможность удержания всасываемой воды внутри практически замкнутого контура, который может герметически закрываться по окончании дноуглубительных работ, что является особенно полезной опцией в случае загрязненных участков, куда невозможно или нежелательно сбрасывать отделяемую жидкую фазу, на суше или в воде;
- возможность использования и рециркуляции ограниченного количества циркулирующей воды, которое система рециркуляции, предпочтительно образующая замкнутый гидравлический контур, «автоматически» поддерживает на практически постоянном уровне, втягивая воду из окружающего пространства, что обеспечивает очевидные выгоды в отношении затрат на установку и эксплуатацию всей системы дноуглубления.
В рамках данного предпочтительного варианта осуществления предпочтительно и желательно расположить набор элементов для отклонения потока в упомянутой выше полости рядом с указанным всасывающим отверстием.
Аналогично описанному выше, элементы для отклонения потока предпочтительно содержат набор ребер, имеющих практически прямолинейную или криволинейную форму, вытянутую в радиальном направлении или в наклонном направлении относительно указанного радиального направления, при этом они позволяют получить такие же полезные технические эффекты придания потоку жидкой фазы, циркулирующему к всасывающему отверстию, высоконаправленного практически радиального или кругового движения центробежного типа, которое повышает эффективность гидродинамического удаления осадочных отложений.
Кроме того, возможность придавать высоконаправленное движение потоку жидкой фазы, циркулирующему к всасывающему отверстию, чрезвычайно полезна при углублении загрязненных участков, поскольку позволяет избежать повторного ввода в окружающую среду загрязняющих веществ, оседающих на осадочные отложения, удерживаемые перфорированной перегородкой, при этом она обусловливает, в пределах нижней части всасывающей головки, тщательную очистку и промывку осадочных отложений, удерживаемых перфорированной перегородкой, практически исключая любой риск возможного загрязнения, вызванный осадочными отложениями, выпускаемыми из головки по окончании дноуглубительных работ.
Кроме того, в этом случае элементы для отклонения потока в то же время эффективно образуют соответствующие механические элементы жесткости, которые способствуют упрочнению полости, образованной во всасывающей головке.
В другом предпочтительном варианте осуществления дноуглубительное устройство может содержать один или несколько подходящих запорных клапанов, которые могут срабатывать на стадиях запусках и(или) остановки погружного насоса и иметь функцию предотвращения нежелательного обратного потока пульпы, засасываемой всасывающей головкой, и герметизации «пассивной» системы рециркуляции (как указано, состоящей по существу из одного или нескольких каналов), препятствуя тем самым утечке циркулирующей части жидкой фазы, содержащей загрязняющие вещества, из системы рециркуляции.
Дноуглубительное устройство предпочтительно содержит первый запорный клапан, например, обратный клапан поворотного типа, установленный на выпускном канале водно-осадочной пульпы, засасываемой всасывающей головкой, идущем по потоку за выпускным отверстием корпуса погружного насоса.
В предпочтительном варианте осуществления, в котором дноуглубительное устройство содержит упомянутую выше систему рециркуляции, первый запорный клапан предпочтительно устанавливается на выпускном канале, проходящем между выпускным отверстием корпуса погружного насоса и отделительным устройством.
Дноуглубительное устройство предпочтительно содержит также второй запорный клапан, например, дроссельный клапан, установленный на рециркуляционном канале жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства в направлении к всасывающему отверстию всасывающей головки.
Наличие этих запорных клапанов чрезвычайно полезно при углублении загрязненных участков, поскольку позволяет избежать любого типа повторного ввода в окружающую среду загрязняющих веществ, присутствующих в твердой или в жидкой фазе, в случае отказа погружного насоса или других элементов системы рециркуляции или приостановки дноуглубительных работ.
В рамках предпочтительного варианта осуществления, в котором предусматривается упомянутое выше отделительное устройство, дноуглубительное устройство предпочтительно содержит блок химической обработки жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства.
При этом можно успешно выполнить инертизационную или нейтрализационную обработку растворенных или взвешенных загрязняющих веществ, присутствующих на загрязненных участках, обеспечивая тем самым возможность выполнения не только дноуглубительных работ, но и фактической очистки участка от загрязняющих примесей.
Для целей настоящего изобретения данный блок химической обработки включает в себя подходящие устройства (такие как, например, резервуары для сбора вычерпанной жидкой фазы и(или) реакторы для ее обработки, ионообменные колонны или колонны с активированным углем, резервуары для сбора и дозирования подходящих реагентов, фильтры или аппараты для разделения твердой и жидкой фаз и так далее), выполненные с возможностью осуществления инертизационной или нейтрализационной обработки любых загрязняющих веществ, присутствующие в растворе или взвеси в жидкой фазе.
Блок химической обработки предпочтительно находится на поверхности и устанавливается на корпусе дноуглубительного устройства, где установлены отделительное устройство и элементы для управления и позиционирования всасывающей головки и погружного насоса.
Способ дноуглубления
В предпочтительном варианте осуществления способа дноуглубления согласно настоящему изобретения и, как указано выше, скорость всасывания находится в диапазоне от 0,3 до 30 м/с в зависимости от размера частиц и когезионных характеристик осадочных отложений или, конкретнее, в зависимости от размера частиц и когезионных характеристик всасываемого материала; степени загрязненности посторонними телами и их размера; глубины всасывания и процентного содержания твердых частиц в водно-осадочной пульпе, которая должна быть получена.
Скорость всасывания предпочтительно находится в диапазоне от 1 до 25 м/с и, еще более предпочтительно, от 2 до 20 м/с в зависимости от размера частиц и когезионных характеристик осадочных отложений.
Еще более предпочтительными значениями скорости всасывания в зависимости от размера частиц и характеристик осадочных отложений являются следующие:
- илы (когезия изменяется в диапазоне между 10 кПа и 0,5 МПа, измеряемая в соответствии со стандартным пенетрационным испытанием (Standard Penetration Test, SPT)), имеющие средний размер частиц по шкале Уэнтуорта ≤60 мкм: 0,4-10 м/с;
- пески, имеющие средний размер частиц по шкале Уэнтуорта в диапазоне от 60 мкм до 3 мм: 0,4-20 м/с;
- гравий, имеющий средний размер частиц по шкале Уэнтуорта в диапазоне от 3 мм до 100 мм: 0,8-15 м/с;
- галька, имеющая средний размер частиц по шкале Уэнтуорта s 100 мм: 0,8-10 м/с.
В предпочтительном варианте осуществления способ дноуглубления включает шаг уменьшения средней скорости водно-осадочной пульпы, всасываемой внутрь всасывающей головки за всасывающим отверстием.
Этот шаг уменьшения средней скорости предпочтительно выполняется при помощи упомянутого выше увеличения площади поперечного сечения нижней части всасывающей головки, ближней к всасывающему отверстию, при этом он обеспечивает достаточное замедление всасываемого твердого материала (осадочных отложений, а также щебня или наносных пород различного вида).
Как описано выше, средняя скорость пульпы при максимальной площади поперечного сечения всасывающей головки предпочтительно находится в диапазоне от 0,1 до 25 м/с.
В предпочтительном варианте осуществления способ дноуглубления включает также шаг разделения по размерам внутри всасывающей головки частиц осадочных отложений, входящих в состав водно-осадочной пульпы, всасываемой в указанную головку.
Как изложено выше, этот шаг предпочтительно может выполняться при помощи описанной выше перфорированной перегородки.
Как изложено выше, в этом случае можно достичь не только большей эксплуатационной гибкости способа дноуглубления по сравнению с известными дноуглубительными устройствами, поскольку любые твердые остатки крупных размеров теперь не могут препятствовать работе всасывающей головки, но и обеспечить возможность отделения частиц твердого материала крупных размеров от мелкозернистых осадочных отложений путем выполнения первой классификации частиц по размерам и удержания такого материала в зоне, расположенной перед перфорированной перегородкой, для последующего извлечения и удаления.
Также, путем выполнения упомянутого выше шага уменьшения средней скорости водно-осадочной пульпы за всасывающим отверстием, этот предпочтительный вариант осуществления способа согласно настоящему изобретению позволяет получить дополнительные важные и полезные технические эффекты, такие как:
- ограничение механических напряжений на перфорированной перегородке;
- ограничение явлений износа вследствие ударных воздействий на перфорированную перегородку;
- обеспечение достаточной автономности между операцией очистки зоны перед перфорированной перегородкой и операцией очистки следующей зоны;
- выполнение предварительной сортировки по размерам частиц всасываемых осадочных отложений с целью оптимизации последующих шагов отделения и(или) очистки от примесей;
- выполнение в ходе дноуглубительных работ тщательной промывки осадочных отложений, удерживаемых перфорированной перегородкой.
В предпочтительном варианте осуществления способ дноуглубления включает также шаг разделения водно-осадочной пульпы, выпускаемой погружным насосом, на жидкую фазу и твердую фазу, включающую осадочные отложения.
При этом, как указано выше, можно как успешно извлекать осадочные отложения для последующей обработки, хранения или повторного использования, так и получать водный поток, практически свободный от осадочных отложений, который может циркулировать к всасывающей головке.
Как указано выше, этот шаг разделения предпочтительно может выполняться при помощи описанного выше отделительного устройства.
В этом предпочтительном варианте осуществления способ предпочтительно содержит шаг циркуляции жидкой фазы с заданной величиной расхода в направлении всасывающего отверстия всасывающей головки.
При этом, как изложено выше, можно успешно достичь следующих технических эффектов:
- усиление эрозии осадочных отложений и, вследствие этого, эффективности дноуглубительных работ за счет подачи жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства, в направлении всасывающего отверстия головки;
- эффективное ограничение зоны всасывания осадочных отложений, препятствующее возникновению любого возможного эффекта мутности воды;
- возможность удержания всасываемой воды внутри практически замкнутого контура, который может герметически закрываться по окончании дноуглубительных работ, что является особенно полезной опцией в случае загрязненных участков, куда невозможно сбрасывать отделяемую жидкую фазу, на суше или в воде.
Как изложено выше, эти шаги предпочтительно могут выполняться при помощи системы рециркуляции и внутренней полости, расположенной внутри описанной выше всасывающей головки.
Шаг рециркуляции жидкой фазы предпочтительно выполняется при помощи упомянутой выше внутренней полости, расположенной внутри всасывающей головки, причем эта полость способна успешно направлять высоконаправленный поток жидкости к всасывающему отверстию, тем самым усиливая эрозию осадочных отложений и более эффективно ограничивая зону всасывания осадочных отложений.
В предпочтительном варианте осуществления способа дноуглубления жидкая фаза, циркулирующая в направлении всасывающего отверстия, имеет скорость, равную или меньшую, чем скорость всасывания.
При этом можно успешно поддерживать требуемые условия понижения давления на всасывающем отверстии и обеспечивать, чтобы циркулирующая жидкая фаза была практически ограничена замкнутым гидравлическим контуром, по существу внутри периметра упомянутого выше всасывающего отверстия без какого-либо существенного возмущающего воздействия осадочных отложений и нежелательной генерации турбулентности, которая может привести осадочные отложения во взвешенное состояние.
Величина абсолютного давления на всасывающем отверстии предпочтительно поддерживается на уровне от 0,1 до 0,9 бар, более предпочтительно, от 0,2 до 0,7 бар, путем надлежащего регулирования скорости жидкой фазы, циркулирующей к такому отверстию.
Кроме того, если скорость жидкой фазы, циркулирующей в направлении всасывающего отверстия, ниже скорости всасывания, можно успешно достичь дополнительного технического эффекта втягивания дополнительного потока воды из зон, расположенных вокруг всасывающего отверстия головки, тем самым способствуя усилению периферийной эрозии осадочных отложений без существенного контакта с дном и компенсируя при этом любые потери циркулирующей жидкой фазы.
В предпочтительном варианте осуществления способа дноуглубления согласно настоящему изобретению, жидкая фаза, циркулирующая в направлении всасывающего отверстия, имеет скорость в диапазоне от 0,2 до 15 м/с в зависимости от значений скорости всасывания, приведенных выше.
Более предпочтительно, жидкая фаза, циркулирующая в направлении всасывающего отверстия, имеет скорость в диапазоне от 0,5 до 10 м/с и, еще более предпочтительно, от 1 до 5 м/с в зависимости от предпочтительных значения скорости всасывания, указанных выше.
В предпочтительном варианте осуществления способа дноуглубления согласно настоящему изобретению соотношение между скоростью всасывания водно-осадочной пульпы и скоростью жидкой фазы, циркулирующей в направлении всасывающего отверстия, находится в диапазоне от 1 до 7, более предпочтительно - от 1 до 5, и еще более предпочтительно - от 1 до 2.
В других предпочтительных вариантах осуществления способ дноуглубления включает один или несколько из следующих шагов:
- придают воде, всасываемой в головку, практически поворотное движение или практически радиальное движение относительно всасывающего отверстия;
- придают циркулирующей жидкой фазе, подаваемой к всасывающему отверстию, практически поворотное движение или практически радиальное движение относительно всасывающего отверстия;
- смывают осадочные отложения со дна, направляя воду, находящуюся возле всасывающего отверстия за пределами головки, в радиальном направлении к всасывающей головке.
Эти предпочтительные шаги могут предпочтительно выполняться при помощи описанных выше элементов для отклонения потока, расположенных внутри (например, расположенных внутри полости, образованной в головке) и(или) снаружи всасывающей головки, как описано выше.
Как указано выше, эти шаги позволяют успешно создавать высоконаправленный поток жидкости в направлении всасывающего отверстия, тем самым оптимизируя гидродинамику дноуглубительных работ, повышая их эффективность и сокращая время и расходы.
В предпочтительном варианте осуществления способ дноуглубления включает шаг химической обработки жидкой фазы, отделяемой от водно-осадочной пульпы.
Этот шаг предпочтительно может выполняться при помощи упомянутого выше блока химической обработки, при этом он обеспечивает преимущества, указанные выше в связи с описанием такого блока.
В предпочтительном варианте осуществления способ дноуглубления включает также резервный шаг, предусматривающий шаг «герметического закрытия» заданного количества циркулирующей жидкой фазы, отделяемой от водно-осадочной пульпы, в замкнутом контуре.
Этот шаг предпочтительно может выполняться при помощи указанных выше запорных клапанов, устанавливаемых на выпускном канале водно-осадочной пульпы, проходящем за выпускным отверстием корпуса погружного насоса, и на рециркуляционном канале жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства в направлении всасывающего отверстия всасывающей головки.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из следующего подробного описания некоторых предпочтительных вариантов осуществления дноуглубительного устройства согласно настоящему изобретению, приведенного ниже путем представления разъяснений без ограничения сказанного со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На ФИГ.1 представлен схематический вид предпочтительного варианта осуществления дноуглубительного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На ФИГ.2 представлен схематический вид некоторых деталей дноуглубительного устройства, изображенного на ФИГ.1, в рабочем состоянии.
На ФИГ.3 представлен схематический аксонометрический вид в частичном разрезе всасывающего аппарата дноуглубительного устройства, изображенного на ФИГ.1.
На ФИГ.4 представлен схематический аксонометрический вид, в частичном разрезе и в увеличенном масштабе, некоторых деталей всасывающего аппарата дноуглубительного устройства, изображенного на ФИГ.1.
На ФИГ.5 представлен схематический аксонометрический вид, в увеличенном масштабе и с удалением некоторых частей из некоторых деталей всасывающего аппарата, другого предпочтительного варианта осуществления дноуглубительного устройства согласно настоящему изобретению.
На ФИГ.6 представлен схематический аксонометрический вид, в увеличенном масштабе и с отсоединением некоторых частей от некоторых деталей всасывающего аппарата, другого предпочтительного варианта осуществления дноуглубительного устройства согласно настоящему изобретению.
На ФИГ.7 представлен схематический аксонометрический вид всасывающего аппарата другого предпочтительного варианта осуществления дноуглубительного устройства согласно настоящему изобретению.
На ФИГ.8-10 представлено столько же схематических аксонометрических видов в частичном разрезе соответствующих всасывающих аппаратов других предпочтительных вариантов осуществления дноуглубительного устройства согласно настоящему изобретению.
На ФИГ.11-12 представлено столько же схематических аксонометрических видов, в частичном разрезе и увеличенном масштабе, соответствующих всасывающих аппаратов других предпочтительных вариантов осуществления дноуглубительного устройства согласно настоящему изобретению.
На ФИГ.13 представлен схематический вид, который изображает некоторые детали альтернативного предпочтительного варианта осуществления всасывающего аппарата дноуглубительного устройства согласно настоящему изобретению в рабочем состоянии.
Осуществление предпочтительных вариантов изобретения
Как показано на ФИГ.1-5, дноуглубительное устройство согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, например, дноуглубительное устройство так называемого всасывающе-нагнетательного типа для удаления осадочных отложений со дна F водного пространства S, например, такого как дно моря, дно реки, дно озера, дно болота и т.д., обозначено в целом позицией 1.
Дноуглубительное устройство 1 содержит корпус 2, предпочтительно образованный набором модульных мостовых звеньев (не показанных более подробно), поддерживающих обычным способом приводную станцию 3, внутри которой расположена управляющая панель для управления всеми операциями перемещения корпуса и фактическими дноуглубительными работами при помощи соответствующих приводных устройств, силовая установка 4 для управления работой погружного всасывающего аппарата 5 и подъемная рама 6 для перемещения всасывающего аппарата 5.
Силовая установка 4 содержит, в свою очередь, эндотермический двигатель (например, дизельный двигатель) и гидравлический или электрический блок управления, не показанный на ФИГ.1, для гидравлического или электрического управления погружным всасывающим аппаратом 5, как станет понятнее в дальнейшем.
Дноуглубительное устройство 1 содержит также один или несколько баков с подходящим топливом для эндотермического двигателя и одно или несколько устройств для перемещения корпуса 2; те и другие относятся к традиционному типу и не показаны на рисунке.
Корпус 2 также поддерживает традиционным способом рабочую станцию 7, включающую:
- отделительное устройство 8 для разделения водно-осадочной пульпы, поступающей из всасывающего аппарата 5, например, отделительное устройство диафрагменного типа (см. фиг.2) для разделения водно-осадочной пульпы, выпускаемой из всасывающего аппарата 5, на жидкую фазу и твердую фазу, включающую осадочные отложения;
- систему рециркуляции 10 к всасывающей головке 9 всасывающего аппарата 5, по меньшей мере, части жидкой фазы, отделяемой указанным отделительным устройством 8, содержащим резервуар 11 для сбора жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства 8, и по меньшей мере один канал для рециркуляции 12 отделяемой жидкой фазы к всасывающей головке 9;
- блок 13 для химической обработки жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства 8, например, включающий резервуар 14 для нейтрализации загрязняющих веществ, гидравлически сообщающийся с резервуаром 11 системы рециркуляции 10 при помощи каналов 15, 16 для подачи жидкой фазы к резервуару 14 и для возврата нейтрализованной жидкой фазы к резервуару 11.
Всасывающий аппарат 5 включает в себя, как подробнее показано на ФИГ.2-4:
a) погружной насос 18, включающий:
- корпус 17, оснащенный входным патрубком 19 и выпускным отверстием 20;
- рабочее колесо 21, поддерживаемое с возможностью вращения в корпусе 17 между входным патрубком 19 и выпускным отверстием 20 и приводимое во вращение соответствующим приводным устройством 22, конкретно, двигателем, управляемым блоком управления силовой установки 4;
b) упомянутую выше всасывающую головку 9, которая связана со входным патрубком 19 корпуса 17 насоса 18 и снабжена снизу отверстием 23 для всасывания осадочных отложений.
Известным по существу способом выпускное отверстие 20 корпуса 17 насоса 18 гидравлически сообщается с отделительным устройством 8 при помощи канала 24 (показанного пунктирной линией на ФИГ.3) для передачи водно-осадочной пульпы, выпускаемой из всасывающего аппарата 5, при этом указанный канал присоединен к корпусу 17 при помощи фланцевого трубного фитинга 25.
Всасывающее отверстие 23 головки 9 имеет площадь поперечного сечения, величина которого рассчитана на достижение в пределах рабочего диапазона насоса 18 скорости всасывания, позволяющей удалять осадочные отложения при помощи гидродинамического удаляющего воздействия, оказываемого водой, всасываемой в указанную головку 9.
В предпочтительном варианте осуществления всасывающее отверстие 23 головки 9 имеет площадь поперечного сечения меньшую, чем максимальная площадь поперечного сечения всасывающей головки 9.
Таким образом, внутри всасывающей головки 9 можно успешно создать калибруемое сечение, которое формирует область сильного понижения давления и обеспечивает в итоге высокую скорость всасывания воды или водно-осадочной пульпы.
Средняя скорость всасывания, измеряемая на всасывающем отверстии 23 головки 9, предпочтительно изменяется в диапазоне между 0,3 м/с и 30 м/с, по существу, в соответствии с размером частиц и когезионными характеристиками осадочных отложений.
В изображенном предпочтительном варианте осуществления всасывающая головка 9 включает по меньшей мере первую часть 9а, расположенную ближе к всасывающему отверстию 23, и имеющую площадь поперечного сечения, постепенно возрастающую при удалении от отверстия 23, и вторую часть 9b, расположенную дальше от всасывающего отверстия и имеющую площадь поперечного сечения, постепенно убывающую при удалении от первой части 9а.
В другом изображенном предпочтительном варианте осуществления внутри всасывающей головки 9 имеется перфорированная перегородка 26, закрепленная в головке 9 по потоку позади всасывающего отверстия 23 и выполненная с возможностью удержания частиц твердого материала, размер которых превышает проходное сечение отверстий 27, проделанных в перфорированной перегородке 26.
2
8 другом изображенном предпочтительном варианте осуществления отверстия 27 равномерно распределены в части перегородки 26, пересекаемой потоком жидкости, при этом они предпочтительно имеют круглую форму и диаметр в диапазоне от 15 до 300 мм таким образом, чтобы предпочтительно ограничивать площадь проходного сечения диапазоном от 175 до 75000 мм.
Позиционирование перфорированной перегородки 26 внутри всасывающей головки 9 позволяет успешно получать следующие преимущества по сравнению с известными дноуглубительными устройствами:
- большую эксплуатационную гибкость дноуглубительного устройства 1, поскольку любые твердые остатки крупного размера теперь не могут препятствовать работе всасывающей головки;
- возможность отделения частиц твердого материала, размер которых превышает проходное сечение отверстий 27, от остальной части осадочных отложений, путем удержания такого материала в зоне головки 9, расположенной перед перфорированной перегородкой 26, для последующего извлечения и удаления благодаря условиям пониженного давления, создаваемым внутри всасывающей головки 9.
Поскольку всасывающее отверстие 23 головки 9 имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем максимальная площадь поперечного сечения всасывающей головки 9, достигаются также следующие важные и полезные технические эффекты:
- ограничение механических напряжений на перфорированной перегородке 26;
- ограничение явлений износа вследствие ударных воздействий на перфорированную перегородку 26;
- обеспечение достаточной автономности между операцией очистки зоны перед перфорированной перегородкой 26 и операцией очистки следующей зоны;
- выполнение предварительной классификации по размерам частиц всасываемых осадочных отложений с целью оптимизации последующих шагов отделения и(или) очистки от примесей;
- промывка осадочных отложений, удерживаемых перфорированной перегородкой 26, операция, которая особенно важна при выполнении дноуглубительных работ на загрязненных участках.
Благодаря упомянутой выше геометрической конфигурации части 9а головки 9 можно успешно постепенно уменьшать скорость водно-осадочной пульпы, засасываемой в головку 9, и способствовать очистке всасывающей головки 9 от наносных пород, удерживаемых перед перфорированной перегородкой 29, находящейся в головке 9.
Таким образом, при этом можно успешно оптимизировать геометрические и гидродинамические характеристики зоны всасывающей головки 9, расположенной ближе к всасывающему отверстию 23 перед перфорированной перегородкой 26.
Упомянутая выше первая часть 9а, ближняя к всасывающему отверстию 23 всасывающей головки 9, предпочтительно включает нижнюю стенку 28, имеющую угол наклона относительно продольной оси Х-Х всасывающего отверстия 23, находящийся в диапазоне указанных выше цифровых значений.
Таким образом, при этом можно успешно оптимизировать геометрические и гидродинамические характеристики зоны всасывающей головки 9, расположенной ближе к всасывающему отверстию 23 перед перфорированной перегородкой 26.
Упомянутая выше вторая часть 9а, расположенная дальше от всасывающего отверстия 23 всасывающей головки 9, предпочтительно включает верхнюю стенку 29, имеющую угол наклона относительно продольной оси Х-Х всасывающего отверстия 23, находящийся в диапазоне указанных выше цифровых значений.
Благодаря упомянутой выше геометрической конфигурации части 9b головки 9, можно успешно оптимизировать геометрические и гидродинамические характеристики зоны всасывающей головки 9, расположенной дальше от всасывающего отверстия 23 за перфорированной перегородкой 26, в частности, повышая гидродинамическую эффективность головки 9 возле входного патрубка 19 корпуса 17 насоса 18 и оптимизируя тем самым работу последнего.
В предпочтительном изображенном варианте осуществления всасывающая головка 9 состоит из двух или большего количества конструктивно независимых частей, в данном случае, из части 9а, расположенной ближе к всасывающему отверстию 23, и второй части 9b, расположенной дальше от такого отверстия, соединенных друг с другом съемным способом при помощи набора болтов (не показаны), вставляемых в соответствующие сквозные отверстия 30а, 30b, образованные в соответствующих радиальных внешних ребрах 31а, 31b, идущих от наружной кромки частей 9а и 9b.
Всасывающая головка 9 предпочтительно включает также промежуточную часть 9е, содержащую нижнюю часть, расположенную ближе к всасывающему отверстию 23 и имеющую площадь поперечного сечения, постепенно возрастающую при удалении от указанного отверстия, и верхнюю часть, расположенную дальше от всасывающего отверстия 23 и имеющую площадь поперечного сечения, постепенно убывающую при удалении от указанной нижней части (см. ФИГ.4).
В этом случае промежуточная часть 9е предпочтительно образована двумя соседними концевыми частями указанных частей 9а, 9b всасывающей головки 9 и имеет меньший угол наклона относительно продольной оси всасывающего отверстия 23 по сравнению с оставшейся частью первой части 9а и, соответственно, второй части 9b.
Нижняя часть промежуточной части 9е предпочтительно имеет угол наклона относительно продольной оси всасывающего отверстия, находящийся в диапазоне указанных выше цифровых значений.
Верхняя часть промежуточной части 9е предпочтительно имеет угол наклона относительно продольной оси всасывающего отверстия, находящийся в диапазоне указанных выше цифровых значений.
В этом предпочтительном варианте осуществления перфорированная перегородка 26 снабжена также соответствующими радиальными ребрами 32, перфорированными таким образом, чтобы обеспечить возможность их монтажа между частями 9а и 9b всасывающей головки 9, предпочтительно, на поперечной средней плоскости промежуточной части 9е головки 9.
В этой предпочтительной конфигурации можно успешно демонтировать всасывающую головку 9 и перфорированную перегородку 26, тем самым облегчая операции их очистки и технического обслуживания.
Кроме того, благодаря имеющей двойной наклон конфигурации промежуточной части 9е всасывающей головки 9, можно получить следующие полезные технические эффекты:
- предотвращение захватывания частиц твердого материала, имеющих меньший размер, чем проходное сечение отверстий 27, выполненных в перфорированной перегородке 26, между нижней стенкой 28 головки 9 и перегородкой 26, которое препятствует их прохождению за пределы последней;
- предотвращение захватывания частиц твердого материала, имеющих больший размер, чем проходное сечение отверстий 27, выполненных в перфорированной перегородке 26, между нижней стенкой 28 головки 9 и перегородкой 26, которое затрудняет опорожнение зоны головки, расположенной перед перфорированной перегородкой 26 (части, ближней к всасывающему отверстию 23);
- предотвращение захватывания частиц твердого материала, имеющих меньший размер, чем проходное сечение отверстий 27, выполненных в перфорированной перегородке 26, между верхней стенкой 29 головки 9 и перегородкой 26, которое препятствует их втягиванию насосом 18.
В предпочтительном изображенном варианте осуществления нижняя стенка 28 первой части 9а, расположенной ближе к всасывающему отверстию 23, и верхняя стенка 29 второй части 9b, расположенной дальше от отверстия (включая соседние концевые части, образующие промежуточную часть 9е головки 9) являются многогранными и содержат набор плоских сегментов 9с, 9d, наклоненных относительно продольной оси Х-Х всасывающего отверстия и соединенных боковыми сторонами.
В этом случае можно успешно добиться упрощения операций по изготовлению головки 9 вместе со снижением соответствующих затрат.
Таким образом задают многоугольную форму всасывающей головки 23.
В предпочтительном изображенном варианте осуществления всасывающая головка 9 снабжена внутренней полостью 34, ограничивающей внешнюю кольцевую часть указанного всасывающего отверстия 23 и гидравлически соединенной с системой рециркуляции 10 для подачи жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства 8, в направлении всасывающего отверстия 23 и внутрь всасывающей головки 9.
Первая часть 9а всасывающей головки 9 предпочтительно снабжена оболочкой 33, образующей часть 9а, имеющую внутреннюю и внешнюю двойную стенку, которыми ограничена упомянутая выше полость 34, находящаяся, таким образом, внутри головки 9.
В этом предпочтительном варианте осуществления оболочка 33 образует внешнюю стенку первой части 9а всасывающей головки, а также внешний периметр всасывающего отверстия 23 головки 9.
2
В предпочтительном изображенном варианте осуществления в зависимости от конструктивных характеристик головки 9, всасывающее отверстие 23 имеет, таким образом, многоугольную форму, конкретно, 9 сторон и описывает окружность, имеющую диаметр в диапазоне от 100 мм до 1500 мм, тем самым формируя площадь поперечного сечения в диапазоне от 0,008 до 1,76 м.
2
Площадь поперечного сечения отверстия, определяемого внутренней стенкой 28 первой части 9а всасывающей головки 9, в этом случае предпочтительно находится в диапазоне от 0,004 до 0,90 м, чтобы учесть сечение рециркуляционной полости 34.
В этом предпочтительном варианте осуществления дноуглубительное устройство позволяет достичь следующих технических преимуществ:
- усиление эрозии/размыва осадочных отложений и, вследствие этого, эффективности дноуглубительных работ за счет высоконаправленной подачи жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства 8, в направлении всасывающего отверстия 23 головки 9;
- эффективное ограничение зоны всасывания осадочных отложений, препятствующее возникновению любых возможных эффектов мутности воды;
- возможность удержания всасываемой воды внутри практически замкнутого контура, который может в некоторых случаях герметически закрываться по окончании дноуглубительных работ, что является особенно полезной опцией в случае загрязненных участков, куда невозможно или нежелательно сбрасывать отделяемую жидкую фазу, на суше или в воде.
В предпочтительном изображенном варианте осуществления дноуглубительное устройство имеет набор элементов для отклонения потока, присоединенных к всасывающей головке 9 вблизи от указанного всасывающего отверстия 23 (ФИГ.5).
В этом предпочтительном варианте осуществления упомянутые выше элементы для отклонения потока расположены в полости 34 вблизи от всасывающего отверстия 23 и состоят из соответствующего набора практически прямолинейных ребер 35, вытянутых в наклонном направлении относительно радиального направления.
Благодаря наличию этих элементов для отклонения потока дноуглубительное устройство 1 обеспечивает полезный технический эффект придания потоку жидкой фазы, подаваемому к всасывающему отверстию 23, высоконаправленного практически радиального движения центробежного типа, которое повышает эффективность гидродинамического удаления осадочных отложений.
Теперь, со ссылкой на описанное выше дноуглубительное устройство 1 и ФИГ.1-5 будет описан способ дноуглубления для удаления осадочных отложений со дна F водного пространства S.
На первом шаге этот способ предусматривает позиционирование всасывающего аппарата 5, включающего погружной насос 18, описанный выше, вблизи от дна F.
После этого выполняется шаг запуска, на котором, при двигателе 22 насоса 18, работающем с пусковой скоростью, всасывающая головка 9 при помощи подъемной рамы 6 подводится ко дну F до расстояния, на котором под действием погружного насоса 18 вода, втягиваемая снаружи, накрывает внешнюю периферию нижней части 9а, расположенной ближе к всасывающему отверстию 23 головки 9, а затем воздействует своей кинетической энергией на дно F, размывая его.
Поэтому дно F начинает размываться от периферии всасывающего отверстия 23, последовательно поддаваясь воздействию и достигая центра у продольной оси Х-Х.
Как только головка 9 проникает в дно, управление погружным насосом 18 осуществляется таким образом, чтобы достичь в его рабочем диапазоне скорости всасывания, позволяющей удалять осадочные отложения при помощи гидродинамического удаляющего воздействия, осуществляемого водой, всасываемой в головку 9.
При этом дноуглубительное устройство входит в установившийся режим работы, в котором на всасывающем отверстии 23 и в зонах, находящихся непосредственно перед ним, создается область сильного понижения давления, обладающая выделенным направлением вдоль оси головки 9, и продолжает втягивать воду снаружи с постепенным размыванием и удалением осадочных отложений.
На этой стадии можно выделить два типа перемещения фронта дноуглубления при любом вертикальном перемещении головки 9:
- переднее перемещение, которое происходит так же, как на шаге запуска; и
- периферийное перемещение, которое происходит вследствие того, что слои материала, лежащего поверх засасываемого слоя возле головки 9, образуют неустойчивые фронты и, вследствие этого, оползают вниз.
По наблюдению заявителя, такой механизм, будучи запущенным, обладает способностью самоподдерживания, делая дноуглубительные работы очень эффективными и бесперебойными.
3
В ходе экспериментального испытания, проведенного в соответствии с этим предпочтительным вариантом осуществления способа дноуглубления согласно настоящему изобретению, было установлено, что скорость всасывания находилась в диапазоне от 1,1 до 3,4 м/с с размером частиц осадочных отложений, составлявшим 60-80 мм, при этом расход всасывания равнялся приблизительно 2400 м/ч.
В этом предпочтительном варианте осуществления способ дноуглубления предусматривает также шаг уменьшения средней скорости водно-осадочной пульпы, всасываемой внутрь всасывающей головки 9 за всасывающим отверстием 23, выполняемый при помощи упомянутого выше увеличения площади поперечного сечения нижней части 9а всасывающей головки 9, ближней к всасывающему отверстию 23.
Такой предпочтительный шаг успешно обеспечивает достаточное замедление всываемого твердого материала (осадочных отложений, а также щебня или наносных пород различного вида).
В этом предпочтительном варианте осуществления средняя скорость пульпы при максимальной площади поперечного сечения промежуточной части 9е всасывающей головки 9 (в которой установлена перфорированная перегородка 26) находится в диапазоне от 0,3 м/с до 0,9 м/с.
В этом предпочтительном варианте осуществления способ дноуглубления включает также шаг классификации по размерам внутри всасывающей головки 9 частиц осадочных отложений, входящих в состав водно-осадочной пульпы, всасываемой в головку 9.
Этот шаг предпочтительно выполняется при помощи перфорированной перегородки 26, описанной выше.
Как изложено выше, в этом случае можно успешно достичь не только большей эксплуатационной гибкости способа дноуглубления по сравнению с известными дноуглубительными устройствами, поскольку любые твердые остатки крупных размеров теперь не могут препятствовать работе всасывающей головки 9, но и обеспечить возможность отделения частиц твердого материала крупных размеров от мелкозернистых осадочных отложений, удерживая такой материал в зоне головки 9, расположенной перед перфорированной перегородкой 26, для последующего извлечения и удаления.
Иными словами, наличие перфорированной перегородки 26 позволяет обеспечить следующее:
- избирательное удаление частиц материала в соответствии с их размерами;
- более высокую точность при достижении нужных глубин выработки.
По сравнению с обычными дноуглубительными головками дноуглубительное устройство и способ согласно настоящему изобретению фактически позволяют удалять посторонние тела и все материалы, которые не проходят через перегородку 26, из определенного места, удерживать их внутри всасывающей головки 9, а затем осаждать их на другом участке, чтобы иметь возможность продолжать раскапывание дна F в том же месте.
В отличие от этого, в обычных головках фильтр расположен вне головки и, после того, как он будет насыщен, его необходимо снять, в результате чего посторонние тела осаждаются и, таким образом, невозможно продолжать дноуглубительные работы в том же месте.
Также, путем выполнения упомянутого выше шага уменьшения средней скорости водно-осадочной пульпы за всасывающим отверстием, этот предпочтительный вариант осуществления способа согласно настоящему изобретению позволяет получить дополнительные важные и полезные технические эффекты, такие как:
- ограничение механических напряжений на перфорированной перегородке 26;
- ограничение явлений износа вследствие ударных воздействий на перфорированную перегородку 26;
- обеспечение достаточной автономности между операцией очистки зоны перед перфорированной перегородкой 26 и операцией очистки следующей зоны;
- выполнение предварительной классификации по размерам частиц всасываемых осадочных отложений с целью оптимизации последующих шагов отделения и(или) очистки от примесей.
В этом предпочтительном варианте осуществления способ дноуглубления включает также шаг разделения водно-осадочной пульпы, выпускаемой погружным насосом 18, на жидкую фазу и твердую фазу, включающую осадочные отложения.
При этом, как указано выше, можно как успешно извлекать осадочные отложения для последующей обработки, хранения или повторного использования, так и получать водный поток, практически свободный от осадочных отложений, который по меньшей мере частично циркулирует к всасывающей головке 9 при помощи канала 12 системы рециркуляции 10.
Конкретно, этот шаг разделения предпочтительно выполняется при помощи отделительного устройства 8, описанного выше.
Шаг рециркуляции по меньшей мере части жидкой фазы, отделяемой от пульпы, предпочтительно выполняется «пассивным» способом благодаря понижению давления, создаваемому на всасывающем отверстии 23 и вблизи от него погружным насосом 18.
При этом можно успешно осуществить циркуляцию по меньшей мере части жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства 8, к всасывающему отверстию 23 всасывающей головки 9 без какого-либо дополнительного приводного элемента, просто за счет использования действия погружного насоса 18, который в любом случае уже предусмотрен для всасывания осадочных отложений в дноуглубительном устройстве 1.
В предпочтительном варианте осуществления способ дноуглубления включает шаг циркуляции к головке 9 практически всей жидкой фазы, отделяемой от пульпы, за исключением потерь жидкости, которая пропитывает отделяемую твердую фазу, причем указанные потери компенсируются за счет втягивания воды из окружающего пространства, и шаг подачи циркулирующей жидкой фазы в направлении всасывающего отверстия 23.
При этом циркулирующая жидкая фаза имеет скорость, практически равную скорости всасывания, вследствие чего можно успешно обеспечить, чтобы циркулирующая жидкая фаза была практически ограничена замкнутым гидравлическим контуром без какого-либо существенного возмущающего воздействия осадочных отложений и нежелательной генерации турбулентности, которая может привести осадочные отложения во взвешенное состояние.
Кроме того, как изложено выше, можно успешно достичь следующих технических эффектов:
- усиление эрозии осадочных отложений и, вследствие этого, эффективности дноуглубительных работ за счет высоконаправленной подачи жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства 8, в направлении всасывающего отверстия 23 головки 9;
- эффективное ограничение зоны всасывания осадочных отложений, препятствующее возникновению любого возможного эффекта мутности воды;
- возможность удержания всасываемой воды внутри практически замкнутого контура.
Конкретно, эти шаги выполняются при помощи канала 12 системы рециркуляции 10 и полости 34, образованной внутри всасывающей головки 9.
В этом предпочтительном варианте осуществления способ дноуглубления включает также шаги придания циркулирующей жидкой фазе, подаваемой к всасывающему отверстию 23, высоконаправленного практически кругового движения относительно всасывающего отверстия 23 и смывания осадочных отложений со дна F путем направления воды, находящейся возле всасывающего отверстия 23 за пределами головки 9, в тангенциальном направлении к всасывающей головке 23.
Эти предпочтительные шаги выполняются в данном случае при помощи описанных выше элементов для отклонения потока (ребра 35), расположенных в полости 34, образованной внутри головки 9.
Как указано выше, эти шаги позволяют успешно оптимизировать гидродинамику дноуглубительных работ, повышая их эффективность и сокращая время и расходы.
В этом предпочтительном варианте осуществления способ дноуглубления включает также шаг химической обработки жидкой фазы, отделяемой от водно-осадочной пульпы в отделительном устройстве 8.
Этот шаг предпочтительно выполняется при помощи блока химической обработки 13 и позволяет достигать указанных выше преимуществ.
Другие предпочтительные варианты осуществления дноуглубительного устройства 1 согласно настоящему изобретению будут теперь раскрыты на ФИГ.6-13.
В нижеследующем описании и на этих фигурах элементы дноуглубительного устройства, которые конструктивно или функционально эквивалентны изображенным выше со ссылкой на ФИГ.1-5, будут помечены теми же позиционными обозначениями и не будут описываться дополнительно.
В варианте осуществления на ФИГ.6 изображен вариант всасывающей головки 9, в котором элементы для отклонения потока, расположенные в полости 34, состоят из практически криволинейных ребер 35, наклоненных относительно радиального направления таким образом, чтобы придавать практически круговое движение центробежного типа циркулирующему потоку воды, который способствует поступлению воды во всасывающую головку 9 и эффективно размывает дно F, удаляя осадочные отложения.
В еще одном альтернативном предпочтительном варианте осуществления, не показанном на рисунке, практически криволинейные ребра 35 можно ориентировать в противоположном направлении относительно радиального (иными словами, с ребрами, показанными на ФИГ.6, имеющими вогнутость слева), чтобы придать циркулирующему потоку воды практически поворотное движение тангенциального типа относительно всасывающего отверстия 23, также достигая в этом случае эффективного размывания дна F.
На ФИГ.7 показан вариант всасывающего аппарата 5 и всасывающей головки 9 в случае, когда в дноуглубительном устройстве 1 отсутствует система 10 для циркуляции воды к головке 9.
В этом предпочтительном варианте осуществления всасывающая головка 9 содержит набор элементов для отклонения потока, состоящих из соответствующих практически прямолинейных ребер 35, вытянутых в наклонном направлении относительно радиального направления и присоединенных снаружи к первой части 9а всасывающей головки 9 вблизи от всасывающего отверстия 23.
Благодаря наличию этих наклонных ребер 35 дноуглубительное устройство 1 обеспечивает полезный технический эффект придания потоку жидкой фазы, подаваемому к всасывающему отверстию 23, практически радиального движения центробежного типа, которое повышает эффективность гидродинамического удаления осадочных отложений.
Вследствие этого, способ дноуглубления, осуществляемый при помощи упомянутого выше дноуглубительного устройства 1, включает шаг придания воде, всасываемой в головку 9, практически кругового движения, ориентированного в направлении всасывающего отверстия 23.
В этом предпочтительном варианте осуществления вторую часть 9b всасывающей головки 9, дальнюю от всасывающего отверстия 23, можно снабдить одним или несколькими смотровыми отверстиями 36, которые успешно позволяют осматривать внутренний объем всасывающей головки 9 и проверять необходимость возможного вмешательства в целях удаления твердых материалов, удерживаемых перфорированной перегородкой 26, и(или) вмешательства в целях проведения технического обслуживания или ремонтных работ.
Очевидно, что упомянутые выше смотровые отверстия 36 могут быть предусмотрены и в других вариантах осуществления настоящего изобретения.
На ФИГ.8 показан другой предпочтительный вариант всасывающего аппарата 5 и всасывающей головки 9 в случае, когда в дноуглубительном устройстве 1 отсутствует система 10 для циркуляции воды к головке 9.
В этом случае всасывающая головка 9 выполнена в виде единой детали с перфорированной перегородкой 26, при этом части 9а и 9b всасывающей головки 9, расположенные соответственно ближе и дальше от всасывающего отверстия 23, имеют форму усеченного конуса, обеспечивая тем самым полезные технические эффекты, описанные выше в связи с наличием этого характерного сочетания признаков.
На ФИГ.9 показан другой предпочтительный вариант всасывающего аппарата 5 и всасывающей головки 9 в случае, когда в дноуглубительном устройстве 1 отсутствует система 10 для циркуляции воды к головке 9.
В этом случае всасывающая головка 9 выполнена в виде единой детали с перфорированной перегородкой 26, при этом ее промежуточная часть 9е, расположенная между частями 9а и 9b, имеет практически постоянную площадь поперечного сечения.
Части 9а и 9b всасывающей головки 9, расположенные соответственно ближе и дальше от всасывающего отверстия 23, в этом случае также имеют форму усеченного конуса, обеспечивая тем самым получение полезных технических эффектов, описанных выше в связи с наличием этой характерного признака.
В этом случае перфорированная перегородка 26 закреплена во всасывающей головке 9 на промежуточной части 9е, имеющей практически постоянную площадь поперечного сечения, чтобы получить полезные технические эффекты, описанные выше со ссылкой на вариант осуществления, представленный на ФИГ.1-5.
На ФИГ.10 показан другой предпочтительный вариант всасывающего аппарата 5 и всасывающей головки 9 в случае, когда в дноуглубительном устройстве 1 отсутствует система 10 для циркуляции воды к головке 9.
В этом случае всасывающая головка 9 выполнена в виде единой детали с перфорированной перегородкой 26 и содержит единую часть цилиндрической формы, имеющую практически постоянную площадь поперечного сечения.
В этом случае всасывающее отверстие 23 выполнено по центру в нижней стенке 37 головки 9 и, аналогично другим изображенным на рисунках предпочтительным вариантам осуществления, имеет площадь поперечного сечения меньшую, чем максимальная площадь поперечного сечения всасывающей головки 9 (в этом случае - равную площади поперечного сечения, которая является постоянной).
На ФИГ.11 показан другой предпочтительный вариант всасывающего аппарата 5 и всасывающей головки 9 в случае, когда в дноуглубительном устройстве 1 отсутствует система 10 для циркуляции воды к головке 9.
В этом случае, аналогично предпочтительным вариантам осуществления, изображенным на ФИГ.1-5, часть 9а, ближняя к всасывающему отверстию 23, и вторая часть 9b, дальняя относительно такого отверстия, являются конструктивно независимыми и, аналогичным образом, соединены друг с другом съемным способом при помощи набора болтов (не показаны).
В этом случае перфорированная перегородка 26 также устанавливается съемным способом между частями 9а и 9b всасывающей головки 9 на промежуточной части 9е, при этом стенки головки 9 являются многогранными и содержат набор плоских сегментов, наклоненных относительно продольной оси Х-Х всасывающего отверстия 23 и соединенных боковыми сторонами друг с другом.
Таким образом, в этом случае также задают многоугольную форму всасывающей головки 23.
В этом случае часть 9а, расположенная ближе к всасывающему отверстию 23, отличается от предшествующих тем, что состоит из пары частей 9а’, 9а", расположенных ближе к всасывающему отверстию 23 и имеющих площадь поперечного сечения, постепенно возрастающую при удалении от указанного отверстия, и другой угол наклона относительно продольной оси Х-Х всасывающего отверстия 23.
Конкретнее, первая часть 28а нижней стенки 28, ближайшей к всасывающему отверстию 23, имеет угол наклона относительно продольной оси Х-Х в диапазоне от 0° до 85° и, еще более предпочтительно, от 5 до 70°, а вторая часть 28b нижней стенки имеет угол наклона относительно такой продольной оси Х-Х в диапазоне от 5 до 85° и, еще более предпочтительно, от 25 до 70°.
Таким способом можно эффективно обеспечить всасывающую головку 9 элементом для уменьшения ее поперечного сечения, что в случае сильно связанных осадочных отложений (например, плотной глины) позволяет получать уменьшенную до нужных размеров площадь поперечного сечения всасывающего отверстия 23, чтобы увеличить скорость всасывания и, тем самым, улучшить способность головки 9 удалять осадочные отложения.
В варианте осуществления, показанном на ФИГ.12, всасывающая головка 9 полностью аналогична головке, показанной на ФИГ.11, с тем отличием, что уменьшающий элемент, состоящий из части 9а’, ближайшей к всасывающему отверстию 23, содержит ряд вырезов 38, образованных на наружной кромке всасывающего отверстия 23, чтобы избежать инициирования возможных кавитационных явлений в случае случайного касания дна F.
Наконец, на ФИГ.13 изображен еще один предпочтительный вариант осуществления всасывающего аппарата 5 и всасывающей головки 9 в случае, когда дноуглубительное устройство 1 снабжено системой 10 для циркуляции воды к головке 9 аналогично предыдущему варианту осуществления, показанному на ФИГ.1-5.
В этом случае дноуглубительное устройство 1 содержит первый запорный клапан 40, например, обратный клапан поворотного типа, установленный на выпускном канале 24 водно-осадочной пульпы, засасываемой всасывающей головкой 9, идущим по потоку за выпускным отверстием 20 корпуса 17 погружного насоса 18.
Дноуглубительное устройство 1 предпочтительно содержит также второй запорный клапан 41, например, дроссельный клапан, установленный на рециркуляционном канале 12 жидкой фазы, отделяемой при помощи отделительного устройства 8 в направлении всасывающего отверстия 23 всасывающей головки 9.
Наличие этих запорных клапанов 40, 41 чрезвычайно полезно при углублении загрязненных участков, поскольку позволяет осуществить следующее:
- удержание циркулирующей воды внутри практически замкнутого контура, предотвращение повторного ввода в окружающую среду загрязняющих веществ, присутствующих в жидкой фазе, в случае отказа погружного насоса 18 или других элементов системы рециркуляции или приостановки дноуглубительных работ;
- предотвращение нежелательного обратного потока водно-осадочной пульпы, сбрасываемой рабочим колесом 21 погружного насоса 21 при отказе последнего или в случае приостановки дноуглубительных работ.
Таким образом, в свете изложенного выше ясно, что дноуглубительное устройство и способ согласно настоящему изобретению обеспечивают различные полезные технические эффекты, более конкретно:
- возможность выполнения дноуглубительных операций без существенного рассеивания осадочных отложений, которые размываются исключительно при помощи гидродинамического удаляющего воздействия, осуществляемого водой, всасываемой в головку;
- возможность выполнения дноуглубительных операций без какого-либо контакта с дном за счет гидродинамического всасывания и удаления осадочных отложений, осуществляемого водой, которая засасывается всасывающей головкой вследствие пониженного давления, создаваемого вблизи от всасывающего отверстия головки, конкретно, ниже отверстия и вокруг него;
- возможность всасывания водно-осадочной пульпы, имеющей высокое содержание твердых частиц, вплоть до значения, равного или большего, чем 40% по объему, и, вследствие этого, возможность получения высокой эффективности дноуглубления с точки зрения часовой производительности;
- возможность резкого снижения воздействия на окружающую среду, чтобы устройство и способ дноуглубления можно было применять на участках УТН или УНН или, во всяком случае, в районах, где, по экологическим соображениям, не допускаются любой тип мутности воды и(или) рассеивания загрязняющих осадочных отложений в воде;
- возможность извлечения и, при необходимости, обработки и(или) использования вычерпываемых твердых материалов;
- возможность уменьшения времени и расходов, связанных с вмешательством.
Очевидно, что специалист в данной области техники может вносить модификации и варианты в описанное выше изобретение в соответствии с требованиями конкретного применения, возможными при определенных обстоятельствах, при этом такие варианты и модификации в любом случае входят в объем правовой охраны, определяемый прилагаемой формулой изобретения.