一種環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供一種環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置，包括：進(jìn)水管道；自激腔室，與進(jìn)水管道通過(guò)上游噴嘴連通，自激腔室內(nèi)呈倒置的凹形，使上游噴嘴處和自激腔室底部的壓力脈動(dòng)互為反相；傳遞腔室，與自激腔室通過(guò)下游噴嘴連通，傳遞腔室的底部均勻分布有多個(gè)相互獨(dú)立的傳遞入口；傳遞管道，呈圓錐形分布，并與傳遞入口連通。本實(shí)用新型提供的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置，采用自激振蕩的脈沖射流設(shè)計(jì)，可以對(duì)物體造成瞬間的破壞，脈沖射流的這種瞬間打擊力是隨時(shí)間周期性變化的，可以產(chǎn)生更好的切割和破壞效果，比一般的連續(xù)射流更有效率，更加經(jīng)濟(jì)與節(jié)能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋占地球表面積的約71%，是地球上尚未被人類(lèi)充分認(rèn)識(shí)和利用的最大潛在資源基地。除海洋油氣資源和海濱礦砂外，海底目前已知有商業(yè)開(kāi)采價(jià)值的還有多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等金屬礦產(chǎn)資源。這些礦物中富含鎳、鈷、銅、錳及金、銀金屬等，總儲(chǔ)量分別高出陸上相應(yīng)儲(chǔ)量的幾十倍到幾千倍。隨著人類(lèi)對(duì)金屬資源需求的不斷增加和陸地礦產(chǎn)資源的不斷枯竭，海底礦產(chǎn)資源必將成為人類(lèi)21世紀(jì)的接替資源。由于這些海底礦產(chǎn)資源賦存水深大都在數(shù)千米以上，因此通常也被稱(chēng)為深海礦產(chǎn)資源。顯然，深海礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)必須依賴(lài)深海采礦裝備進(jìn)行。
[0003]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是海洋油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展，為深海礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)提供了大量可以利用和借鑒的相關(guān)技術(shù)和裝備，使得深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的技術(shù)可行性不斷提高，深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的技術(shù)和裝備也得到不斷發(fā)展。目前，多金屬礦物結(jié)核的采集方法包括水力式、機(jī)械式和水力-機(jī)械復(fù)合等多種。水力式的工作原理是利用高壓水射流將結(jié)核從海底吹起并利用水流將其收集到海底采礦車(chē)上;機(jī)械式的工作原理是利用旋轉(zhuǎn)鏈齒集礦頭將結(jié)核從海底挖起并輸送至海底采礦車(chē)上;機(jī)械-水力復(fù)合式的工作原理是利用水力將結(jié)核吹起，利用機(jī)械鏈板將結(jié)核運(yùn)送到海底采礦車(chē)上。但對(duì)于工業(yè)應(yīng)用而言，一個(gè)好的結(jié)核采集機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)除了高的采集率、低的能耗外，還應(yīng)對(duì)海底沉積物的擾動(dòng)盡可能小，以盡可能減小對(duì)海底生態(tài)系統(tǒng)的破壞。
[0004]當(dāng)今水射流技術(shù)以其效率高、能耗少、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，日益受到人們的重視。由于缺乏足夠的試驗(yàn)和應(yīng)用驗(yàn)證，哪種采集方式更好尚無(wú)定論，但根據(jù)以往的海試結(jié)果表明，水力式采集方式相對(duì)機(jī)械式具有更高的采集效率。因此，水射流技術(shù)無(wú)疑將在未來(lái)的深海集礦中扮演主角。
[0005]水射流技術(shù)有多種不同的技術(shù)應(yīng)用，其中包括自激振蕩脈沖水射流。自激振蕩脈沖水射流是利用水聲學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、流體共振和流體彈性等，通過(guò)自激勵(lì)即不需要外加激勵(lì)源，將連續(xù)射流轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幟}沖射流。國(guó)外有關(guān)脈沖射流的研究有很多，但是目前尚無(wú)將自激振蕩脈沖水射流應(yīng)用于深海采礦的實(shí)例。
[0006]同時(shí)，目前市場(chǎng)上已有的水射流裝置均是單個(gè)或多個(gè)噴口噴水的設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)固然能對(duì)位于噴口噴水直線(xiàn)上的礦物有非常良好的破碎效果，但是其破碎面積難免較小，進(jìn)而影響其工作效率。多個(gè)噴口噴水的設(shè)計(jì)雖然較單個(gè)噴口有更大的破碎面積，但是總體看來(lái)其破碎面積仍然較小。目前也有設(shè)計(jì)利用設(shè)置噴口的噴射角度，利用多個(gè)噴口產(chǎn)生的反作用力使得水射流裝置旋轉(zhuǎn)，來(lái)達(dá)到更大破碎面積的結(jié)果。但是由于水射流裝置旋轉(zhuǎn)將消耗動(dòng)能，故而噴口出水的動(dòng)能不是最大，破碎效果因此不能夠達(dá)到最優(yōu)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的目的在于提供一種環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置，以解決目前水射流裝置破碎面積較小、破碎效果不佳的問(wèn)題。
[0008]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:提供一種環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置，包括:進(jìn)水管道；自激腔室，與所述進(jìn)水管道通過(guò)上游噴嘴連通，所述自激腔室內(nèi)呈倒置的凹形，使所述上游噴嘴處和所述自激腔室底部的壓力脈動(dòng)互為反相;傳遞腔室，與所述自激腔室通過(guò)下游噴嘴連通，所述傳遞腔室的底部均勻分布有多個(gè)相互獨(dú)立的傳遞入口 ；傳遞管道，呈圓錐形分布，并與所述傳遞入口連通。
[0009]進(jìn)一步地，所述自激腔室內(nèi)頂端圓錐角的范圍為30°至60°。
[0010]進(jìn)一步地，所述上游噴嘴直徑與下游噴嘴直徑的比值為I?2。
[0011]進(jìn)一步地，所述上游噴嘴與下游噴嘴之間的距離與所述上游噴嘴直徑的比值為2.5?3.5ο
[0012]進(jìn)一步地，所述進(jìn)水管道的進(jìn)口直徑比出口直徑大。
[0013]本實(shí)用新型提供的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置，采用了自激振蕩的脈沖射流設(shè)計(jì)，這種脈沖射流對(duì)物的打擊力是隨時(shí)間不斷的發(fā)生變化，而且存在最大的打擊力，可以對(duì)物體造成瞬間的破壞，脈沖射流的這種瞬間打擊力是隨時(shí)間周期性變化的，可以產(chǎn)生更好的切割和破壞效果，比一般的連續(xù)射流更有效率，更加經(jīng)濟(jì)與節(jié)能;本實(shí)用新型提供的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置使用圓縫形終噴口，使得噴出的水射流的垂直截面呈線(xiàn)狀而非點(diǎn)狀，從而既能夠產(chǎn)生更大的破碎面積，同時(shí)由于其噴口設(shè)計(jì)中心對(duì)稱(chēng)，使產(chǎn)生的使得水射流裝置旋轉(zhuǎn)的反作用力相互抵消，從而不會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)消耗動(dòng)能，使得水射流能夠具有更大的初動(dòng)能，具有更好的破碎效果，水射流裝置也將具有更高的工作效率。
【附圖說(shuō)明】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0015]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置部分放大的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型提出的一種環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)下面說(shuō)明和權(quán)利要求書(shū)，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說(shuō)明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用以方便、明晰地輔助說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例的目的。
[0018]本實(shí)用新型的核心思想在于，本實(shí)用新型提供的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置，采用了自激振蕩的脈沖射流設(shè)計(jì)，這種脈沖射流對(duì)物的打擊力是隨時(shí)間不斷的發(fā)生變化，而且存在最大的打擊力，可以對(duì)物體造成瞬間的破壞，脈沖射流的這種瞬間打擊力是隨時(shí)間周期性變化的，可以產(chǎn)生更好的切割和破壞效果，比一般的連續(xù)射流更有效率，更加經(jīng)濟(jì)與節(jié)能;本實(shí)用新型提供的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置使用圓縫形終噴口，使得噴出的水射流的垂直截面呈線(xiàn)狀而非點(diǎn)狀，從而既能夠產(chǎn)生更大的破碎面積，同時(shí)由于其噴口設(shè)計(jì)中心對(duì)稱(chēng)，使產(chǎn)生的使得水射流裝置旋轉(zhuǎn)的反作用力相互抵消，從而不會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)消耗動(dòng)能，使得水射流能夠具有更大的初動(dòng)能，具有更好的破碎效果，水射流裝置也將具有更高的工作效率。
[0019]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置部分放大的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。參照?qǐng)D1以及圖2，提供一種環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置，包括:進(jìn)水管道11;自激腔室12，與所述進(jìn)水管道11通過(guò)上游噴嘴13連通，所述自激腔室12內(nèi)呈倒置的凹形，使所述上游噴嘴13處和所述自激腔室12底部的壓力脈動(dòng)互為反相;傳遞腔室14，與所述自激腔室12通過(guò)下游噴嘴15連通，所述傳遞腔室14的底部均勻分布有多個(gè)相互獨(dú)立的傳遞入口 16;傳遞管道17，呈圓錐形分布，并與所述傳遞入口 16連通。
[0020]在本實(shí)用新型實(shí)施例中，所述自激腔室12內(nèi)頂端圓錐角的范圍為30°至60°。所述進(jìn)水管道11的進(jìn)口直徑比出口直徑大，以方便進(jìn)水口進(jìn)水。
[0021]進(jìn)一步地，設(shè)置所述上游噴嘴13直徑與下游噴嘴15直徑的比值為I?2，以及所述上游噴嘴13與下游噴嘴15之間的距離與所述上游噴嘴13直徑的比值為2.5?3.5，以使高速水射流中一定頻率范圍內(nèi)的渦量擾動(dòng)得到放大，在剪切層中形成一連串離散渦環(huán)，當(dāng)離散渦環(huán)到達(dá)呈倒置凹形的自激腔室12內(nèi)底部并與之相互作用時(shí)，在倒置凹形底部產(chǎn)生不同頻率的壓力擾動(dòng)波，其中一部分壓力擾動(dòng)波將以聲速向上游噴嘴13傳播，從而誘發(fā)新的渦量脈動(dòng)，若自激腔室12形狀設(shè)置合理，上游噴嘴13和倒置凹形底部處的壓力脈動(dòng)將相互為反相，就會(huì)形成渦量擾動(dòng)-放大-新的渦量脈動(dòng)產(chǎn)生的循環(huán)過(guò)程;另一部分壓力擾動(dòng)波，將橫向振蕩往射流核心反射，若自激腔室形狀設(shè)置合理，壓力擾動(dòng)波頻率與腔室固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起諧振，使得橫向振蕩波自激勵(lì)放大，導(dǎo)致振蕩腔內(nèi)流體阻抗的脈動(dòng)變化。在這兩部分壓力擾動(dòng)波的共同作用下，壓力和流量將會(huì)產(chǎn)生階躍性變化，就會(huì)形成強(qiáng)烈的自激振蕩脈沖水射流。
[0022]利用本實(shí)用新型實(shí)施例提供的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置進(jìn)行碎礦時(shí):高速水射流通過(guò)進(jìn)水管道從上游噴嘴處進(jìn)入自激腔室;在自激腔室中，高速水射流向下游噴嘴流動(dòng)時(shí)，形成自激振蕩脈沖水射流;所述自激振蕩脈沖水射流通過(guò)所述下游噴嘴進(jìn)入傳遞腔室，并在傳遞腔室內(nèi)通過(guò)傳遞入口進(jìn)入傳遞管道，并從所述傳遞管道的末端呈線(xiàn)狀噴出。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，所述傳遞管道17的末端為圓縫型終噴口，既能夠產(chǎn)生更大的破碎面積，同時(shí)由于其噴口設(shè)計(jì)中心對(duì)稱(chēng)，使產(chǎn)生的水射流裝置旋轉(zhuǎn)的反作用力相互抵消，從而不會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)消耗動(dòng)能，使得水射流能夠具有更大的初動(dòng)能，將具有更好的破碎效果。
[0023]脈沖射流產(chǎn)生的方式很多，主要包括以下四種:阻斷式脈沖射流、自激振脈沖射流、脈沖水炮和電液動(dòng)脈沖射流。其中，自激振蕩脈沖射流是利用流體動(dòng)力學(xué)、流體共振、流體彈性學(xué)和水聲學(xué)等原理而發(fā)展起來(lái)的一種新型高效脈沖射流，通過(guò)自激即不需要外加激勵(lì)源，靠流體本身在特殊的流體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生自激振蕩，將連續(xù)水射流變?yōu)檎袷幟}沖水射流。這樣的方法能夠高效地產(chǎn)生脈沖水射流，更具經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本實(shí)用新型實(shí)施例正是使用自激振蕩的方法產(chǎn)生脈沖射流，它是一種非連續(xù)射流，這種間斷射流類(lèi)似于子彈射出。脈沖射流不同于連續(xù)射流，連續(xù)射流的流動(dòng)狀態(tài)不隨時(shí)間變化而且是連續(xù)流動(dòng)，切割或者沖擊物的時(shí)候打擊力是連續(xù)且保持一致。而脈沖射流對(duì)物的打擊力是隨時(shí)間不斷的發(fā)生變化，而且存在最大的打擊力，可以對(duì)物體造成瞬間的破壞。脈沖射流的這種瞬間打擊力是隨時(shí)間周期性變化的，可以產(chǎn)生更好的切割和破壞效果。從而比一般的連續(xù)射流更有效率，更加經(jīng)濟(jì)與節(jié)能。
[0024]目前常見(jiàn)的單個(gè)或多個(gè)噴口噴水的設(shè)計(jì)，其垂直截面為單點(diǎn)狀或多點(diǎn)狀。單個(gè)噴口的設(shè)計(jì)固然能對(duì)位于噴口噴水直線(xiàn)上的礦物有非常良好的破碎效果，但是其破碎面積難免較小，進(jìn)而影響其整體的工作效率。多個(gè)噴口噴水的設(shè)計(jì)雖然較單個(gè)噴口有更大的破碎面積，但是總體看來(lái)其破碎面積仍然較小。設(shè)置噴口的噴射角度，利用多個(gè)噴口產(chǎn)生的反作用力使得水射流裝置旋轉(zhuǎn)，雖然可以達(dá)到更大破碎面積的結(jié)果，但是水射流裝置的旋轉(zhuǎn)將消耗動(dòng)能，故而噴口出水的動(dòng)能不是最大，破碎效果因此不能夠達(dá)到最優(yōu)。本實(shí)用新型實(shí)施例采用的圓縫形終噴口，既能夠產(chǎn)生更大的破碎面積，同時(shí)由于其噴口設(shè)計(jì)中心對(duì)稱(chēng)，使產(chǎn)生的水射流裝置旋轉(zhuǎn)的反作用力相互抵消，從而不會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)消耗動(dòng)能，使得水射流能夠具有更大的初動(dòng)能，將具有更好的破碎效果。水射流裝置也將具有更高的工作效率。
[0025]與現(xiàn)有的機(jī)械式集礦技術(shù)相比，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的環(huán)形脈沖水射流碎礦方法不僅效率更高，而且對(duì)環(huán)境更加友好。
[0026]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實(shí)用新型的這些修改和變型屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實(shí)用新型也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置，其特征在于，包括: 進(jìn)水管道； 自激腔室，與所述進(jìn)水管道通過(guò)上游噴嘴連通，所述自激腔室內(nèi)呈倒置的凹形，使所述上游噴嘴處和所述自激腔室底部的壓力脈動(dòng)互為反相； 傳遞腔室，與所述自激腔室通過(guò)下游噴嘴連通，所述傳遞腔室的底部均勻分布有多個(gè)相互獨(dú)立的傳遞入口； 傳遞管道，呈圓錐形分布，并與所述傳遞入口連通。2.如權(quán)利要求1所述的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置，其特征在于，所述自激腔室內(nèi)頂端圓錐角的范圍為30°至60°。3.如權(quán)利要求1所述的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置，其特征在于，所述上游噴嘴直徑與下游噴嘴直徑的比值為I?2。4.如權(quán)利要求1所述的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置，其特征在于，所述上游噴嘴與下游噴嘴之間的距離與所述上游噴嘴直徑的比值為2.5?3.5。5.如權(quán)利要求1所述的環(huán)形脈沖水射流碎礦裝置，其特征在于，所述進(jìn)水管道的進(jìn)口直徑比出口直徑大。
【文檔編號(hào)】E21C45/04GK205422718SQ201620292401
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】趙國(guó)成, 陳芝燚, 肖龍飛, 張笑通, 姚昊, 王志強(qiáng), 張康
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)