УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДВОДНОЙ РАЗРАБОТКИ ГРУНТА
DEVICE FOR UNDERWATER EXCAVATION

Изобретение относится к оборудованию для экскавации, рыхления и перемещения грунта, в частности к подводным грунтоуборочным устройствам, предназначенным для использования водолазами при судоподъемных, подводно-технических и гидротехнических и др. работах.
Для удаления рыхлых грунтов (ила, песка, мелкого гравия, рыхлой глины) при подводных работах используются вертикальные и горизонтальные гидравлические эжекторы. В комбинации с грунторазмывочным стволом эжектор применяют также для твердых грунтов на малых глубинах (И.В.Меринов, В.В.Смолин. Справочник водолаза, Ленинград, Судостроение, 1990, с 181-182) /1/. Известный гидравлический эжектор содержит корпус, выкидной шланг для отвода пульпы, напорный шланг с соплом, приемные сетки и диффузор. К расположенному в корпусе эжектора соплу по напорному шлангу подается вода. Струя воды, вытекая из сопла с большой скоростью, засасывает окружающую воду, увлекает за собой частицы грунта и транспортирует их по выкидному шлангу. Необходимость использования при разработке твердых грунтов грунторазмывочного ствола усложняет подводно-технические работы и в районе грунтозабора происходит взмучивание, которое не позволяет осуществлять визуальный контроль места выполнения работ.
Усовершенствованием гидравлического эжектора является промышленно выпускаемый грунтоуборочный эжектор серии Ду-100, 150, 300, в котором использован кольцевой гидроразмыв и совмещенные центральный и кольцевой способы эжектирования (ЦКПКБ «Стапель», г.Ростов-на-Дону, рекламный листок, http://www.testis-pro.m) /2/, который содержит смесительную камеру, диффузор, отводящий патрубок (выкидной шланг), разрыхляющую и эжектирующую насадки, защитную решетку, трубу для подвода рабочей жидкости, конический экран по периметру отводящего патрубка, предотвращающий подсос чистой воды сверху для исключения взмучивания в районе грунтозабора. В трубу для подвода рабочей жидкости подается вода под высоким давлением, и струя из центральной эжекторной насадки полностью смешивается с подсасываемым потоком пульпы и поступает на разрыхляющую и эжектирующую насадки, и струя из разрыхляющей насадки воздействует на грунт. Одновременно струя рабочей жидкости под высоким давлением, истекающая из эжектирующей насадки, увлекает пульпообразную массу в камеру смешения и далее продвигается по диффузору в отводящий патрубок. При этом происходит резкий перекос эпюры скоростей в начале камеры смешения: от максимальной, равной скорости струи из эжектирующего насадка по оси камеры смешения, до нулевой на стенках этой камеры для эжекторов центрального типа, что приводит к увеличению гидравлических потерь и снижению эффективности работы грунтозаборного устройства. Поэтому на практике разрыхляющая насадка не используется и вместо нее устанавливают заглушку для повышения производительности грунтоуборочных работ. Наличие конического экрана увеличивает габариты устройства и, как показала практика использования устройства в реальных условиях, при проведении подводно-технических работ не исключается взмучивание в районе грунтозабора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для подводной разработки грунта, в котором используется кольцевой гидроразмыв и кольцевая эжекция (RU) 2015257 С1, 5МПК E02F 3/88, опубл. 1994.06.30) /3/, принимаемое за прототип.
Устройство-прототип содержит установленную соосно в коллекторе пульпоотводящую трубу с диффузором и камерой смешения с входным отверстием, трубу для подвода рабочей жидкости и эжектирующее и грунторазрыхлительное сопла, коллектор в нижней части выполнен с кольцевой щелью и конусным участком, вершина конуса направлена противоположно размещению диффузора, конфузор воронкообразной формы с криволинейно-выпуклой поверхностью, плавно переходящий во входное отверстие камеры смешения, струенаправляющее кольцо с внешней криволинейно-выпуклой поверхностью, закрепленное на коллекторе. Эжектирующее сопло образовано внутренней кромкой струенаправляющего кольца и конусным участком коллектора. Ось грунторыхлительного щелевого сопла направлена под острым углом к продольной оси конфузора. За счет действия эффекта Куанда более полно используется энергия активного потока (эжектирующей и гидрорыхлительной струи рабочей жидкости), снижается сопротивление всасывающего отверстия и достигается полное исключение взмучивания в районе грунтозабора.
Однако указанные технические достоинства прототипа оставляют возможность его усовершенствования относительно следующих моментов:
- внутренние стенки камеры смешения подвергаются при продвижении пульпы интенсивному абразивному износу, что снижает срок службы устройства;
- отведение пульпы невозможно обеспечить на расстояние свыше 20 м от места грунтозабора, что обусловлено тем, что давление подсасывающей жидкости убывает по мере удаления от кольцевой эжектирующей насадки из-за гидравлических потерь и снижается скорость прохождения пульпы;
- при разработке грунта водолазу приходится вручную изменять угол наклона эжектора по отношению к горизонтальной поверхности грунта, что затруднительно для водолаза и приводит к физическим перегрузкам;
- отсутствие регулировки процесса эжекции в зависимости от типа разрабатываемого грунта.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение регулировки процесса эжекции в зависимости от типа грунта, повышение удобства работы при подводной разработке грунта, повышение скорости пульпы, снижение абразивного изнашивания внутренней стенки камеры смешения.
Поставленная задача решается тем, что устройство для подводной разработки грунта, содержащее последовательно соединенные отводящий патрубок для удаления пульпы, диффузор, камеру смешения с конфузором, распределительную камеру с патрубком для подвода рабочей жидкости, согласно изобретению снабжено связанной с патрубком подвода рабочей жидкости рубашкой подвода рабочей жидкости, по периметру которой расположены полые цилиндры, внутренняя поверхность которых имеет резьбовые соединения с активными струенаправляющими соплами, при этом устройство снабжено трубой подвода сжатого воздуха, а в камере смешения поперечной плоскости по окружности выполнены отверстия, сообщающиеся через кольцевой кожух с трубой подвода сжатого воздуха, при этом внутренняя поверхность камеры смешения выполнена с переменным сечением, диаметр которого увеличивается в сторону диффузора с образованием трех зон эжекции, а патрубок для подвода рабочей жидкости имеет ответвления, связанные через шаровые краны с рубашкой подвода рабочей жидкости и с упомянутыми зонами эжекции в камере смешения, при этом струенаправляющие сопла расположены под острым углом α к оси всасывающего отверстия конфузора, а угол β наклона оси конфузора относительно горизонтальной разрабатываемой поверхности составляет 135°.
Использование активных струенаправляющих сопел позволяет производить разработку твердых суглинистых грунтов. Прохождение сжатого воздуха одновременно с продвижением пульпы уменьшает абразивное воздействие на внутренние стенки смесительной камеры за счет того, что сила трения воздушной струи у стенки значительно ниже, чем при движении жидкости, что обусловлено различием в их плотности. При выходе воздуха на поверхность воды происходит его расширение, что приводит к увеличению скорости всего потока пульпы. Выполнение конфузора с углом β наклона его оси к горизонтальной разрабатываемой поверхности грунта, равным 135° позволяет повысить производительность разработки грунта за счет подтягивания горизонтально расположенного устройства по ходу разработки, вызванного разрежением в зоне конфузора, и обеспечить постоянное размещение конфузора в грунте, в то время как в прототипе конфузор находился в положении, перпендикулярном грунту, и вместо грунта происходило засасывание воды. Введение трех ступеней эжекции с диаметром трубы, возрастающим в сторону диффузора, повышает скорость пульпы и обеспечивает перемещение пульпы на расстояние свыше 20 м от места разработки. Обеспечение регулировки рабочего давления в патрубке для подвода рабочей жидкости придает универсальность конструкции и позволяет разрабатывать грунты различной твердости.
Изобретение поясняется схематическими чертежами, где на фиг.1 показано устройство для подводной разработки грунта (продольное сечение), на фиг.2 - поперечное сечение рубашки для подвода рабочей жидкости со струенаправляющими соплами, на фиг.3 приведено поперечное сечение одной из ступень эжекции камеры смешения.
Перечень конструктивных элементов устройства, обозначенных на фиг.1-3:
1 - патрубок для удаления пульпы
2 - диффузор
3 - камера смешения
4 - конфузор
5 - распределительная камера
6 - труба для подвода рабочей жидкости
7 - активные струенаправляющие сопла в количестве шести штук
8 - рубашка подвода рабочей жидкости
9 - полые цилиндры с внутренней резьбовой поверхностью для крепления струенаправляющих сопел
10, 14, 16 18 - ответвления патрубка 6 подачи рабочей жидкости
11 - сечение внутренней стенки камеры смешения 3 эжектирующей ступени
12 - сечение внешней стенки камеры смешения 3 эжектирующей ступени
13, 15, 19 - шаровые краны
20 - отверстия в корпусе камеры смешения 3 для подвода сжатого воздуха
21 - труба для подвода сжатого воздуха
22 - кольцевой кожух над отверстиями 20
23 - кольцевой кожух второй эжектирующей ступени
24 - кольцевой кожух третьей эжектирующей ступени
Устройство для подводной разработки грунта (фиг.1) содержит последовательно соединенные отводящий патрубок 1 для удаления пульпы, диффузор 2, камеру смешения 3 с конфузором 4, выполненным воронкообразной формы с криволинейно-выпуклой поверхностью, плавно переходящей во входное отверстие камеры смешения 3. Аксиально камере смешения 3 расположена распределительная камера 5, имеющая патрубок 6 для отвода рабочей жидкости в активные струенаправляющие сопла 7, размещенные в полых цилиндрах с внутренней резьбовой поверхностью (фиг.2) по периметру рубашки 8 подвода рабочей жидкости. Внутренняя поверхность камеры смешения 3 выполнена с переменными сечениями 11 и 12, диаметры которых Д1, Д2, Д3, Д4 равномерно увеличиваются в направлении диффузора 2 и образуют три ступени эжекции. Труба 6 подвода рабочей жидкости имеет ответвление 10, соединенное шаровым краном 13 с камерой смешения 3 в зоне третьей ступени эжекции, ответвление 14, соединенное шаровым краном 15 с камерой смешения 3 в зоне второй ступени эжекции, ответвление 16, соединенное шаровым краном 17 с камерой смешения 3 в зоне первой ступени эжекции, ответвление 18, связанное через шаровой кран 19 с рубашкой 8 подвода рабочей жидкости. В корпусе камеры смешения 3 выполнены по окружности отверстия 20 для подвода сжатого воздуха от компрессора (на чертеже не показан), сообщающееся с патрубком 21 подачи сжатого воздуха через кольцевой кожух 22, расположенный над отверстиями 20. Шаровые краны 13 и 15 соединены с камерой смешения 3 через кольцевые кожухи 23 и 24 соответственно.
Устройство имеет изогнутую форму, согласно которой его центральная ось составляет острый угол α с осью конфузора 4.
Устройство для подводной разработки грунта работает следующим образом.
Рабочая жидкость от насоса (на чертеже не показан) по трубе 6 и ответвлениям 10, 14, 16, 18 поступает в распределительную камеру 5, в которой происходит ее распределение и одновременная подача в конфузор 4 и рубашку 8 подвода рабочей жидкости. Струя рабочей жидкости, истекающая из распределительной камеры 5, попадает в отверстие камеры смешения 3 и создает в ней разрежение. Вследствие возникающей эжекции окружающая пассивная среда засасывается через всасывающее отверстие конфузора 4. Струя рабочей жидкости, истекающая из активных струенаправляющих сопел 7, которые направлены в сторону разрабатываемого грунта под острым углом α к оси всасывающего отверстия конфузора 4, непосредственно воздействует на разрабатываемый грунт и размывают его, что позволяет активно разрыхлять твердые грунты и в соответствии с эффектом Куанда, обтекая криволинейную часть конфузора 4, исключает взмучивание в месте проведения работ.
При этом струя жидкости примыкает к внешней поверхности конфузора 4, усиливая подсос пассивной окружающей среды (грунта), который со всех сторон извне стремится в зону пониженного давления всасывающего отверстия конфузора 4, подхватывая взрыхленный грунт и доставляя его в зону первой ступени эжекции с диаметрами смесительной камеры Д1-Д2, из которой разрыхленный грунт в виде пульпы поступает на вторую и третью ступени эжекции. Когда пульпа проходит мимо отверстий 20 в корпусе камеры смешения 3, сжатый воздух подается компрессорами через трубу 21 для подвода сжатого воздуха в кольцевой кожух 22 и затем в отверстие 20 в камере смешения 3, тем самым обеспечивается «воздушная смазка» и уменьшается трение пульпы относительно рабочей поверхности по всей ее длине. При этом за счет разницы плотности потока пульпы уменьшается абразивный износ внутренней поверхности устройства. При прохождении пульпы последовательно через вторую ступень эжекции Д2-Д3 пульпа разгоняется потоком рабочей жидкости, истекающей из ответвления 14 при открытом шаровом кране 15, поступает в кожух 23.
При разработке твердых грунтов с щебеночными включениями используют вторую и третью ступни эжекции. При открытии шарового крана 13 струя рабочей жидкости по ответвлению 10 поступает в кожух 24 в зоне третьей ступени эжекции Д3-Д4, при включенных кранах 13, 15 происходит дальнейший разгон пульпы, что приводит к увеличению скорости прохождения пульпы и позволяет увеличить длину пульпоотводного рукава свыше 20 м. Ускоренный поток пульпы через диффузор 2 и отводящий патрубок 1 по гибкому рукаву (на чертеже не показан) удаляется на поверхность с места разработки.
При разработке грунтов с меньшей твердостью (ил, песок и др.) струенаправляющие сопла 7, которые вызывают активное рыхление грунта, не используются, шаровой кран 19 закрыт и рабочая жидкость из ответвления 18 поступает сразу на первую ступень эжекции Д1-Д2 конфузора 4, минуя сопло 7. Таким образом, осуществляется регулировка скорости прохождения пульпы на всем пути ее продвижения в зависимости от твердости грунтов, то есть обеспечивается универсальность конструкции устройства для подводной разработки грунта. Труба 6 выполняет дополнительную функцию держателя для водолаза. Изготовлен и апробирован в реальных условиях действующий макет устройства. Производительность устройства составила до 30% по твердому грунту, что в 2 раза превышает аналогичный показатель выпускаемых аналогов.
Источники информации
1. И.В.Меринов, В.В.Смолин. Справочник водолаза, Ленинград, Судостроение, 1990, с 181-182.
2. Грунтоуборочный эжектор серии Ду-100, 150, 300 ЦКПКБ «Стапель», г.Ростов-на-Дону, рекламный листок, http://www.testis-pro.ru.