CN1053481C - 大洋多金属结核水力式采集机构 - Google Patents

Abstract

在开采水深4000～6000米海底沉积物上多金属结核的设备中，本发明所用水力式采集机构由三部分构成：双排喷嘴和双导流板、双侧板组成的多金属结核水力捕捉装置，输送喷嘴和输送通道组成的多金属结核水力输送装置，网状结构的多金属结核与沉积物分离装置，分别完成对多金属结核的捕捉、输送和脱泥。具有结构简单、工作可靠、适应性强、采集率和脱泥率高等特点。

Description

大洋多金属结核水力式采集机构

本发明涉及一种开采水深4000～6000米海底沉积物上多金属结核的采集机构。

在世界各大洋洋底表层的软质沉积物上，蕴藏着大约3万亿吨含有铜、镍、钴、锰、铁等元素的多金属结核，作为开采这些多金属结核作业中最核心部分的采集机构，由于其所处的特殊环境，必须满足结构简单、工作可靠、采集率高、适应性强、环境破坏小等要求。

在开采深海底多金属结核的设备中，最早出现的是各种机械式采集机构，如连续绳斗式、把斗式、滚筒叶轮式、滚筒链板式等，但都存在着笨重、结构复杂、挖齿易损坏、海底地形适应能力差、采集效率低、挖起的沉积物多等问题。

水力式采集机构以其结构简单、工作可靠、采集效率高、对沉积物破坏小、特别是利用多金属结核周围的海水作为动力传递介质等特点，被认为具有良好的工业应用前景而日益受到重视，近年来已出现了这类采集机构。例如美国专利US3,646,694介绍了一种射流-吸入式采集机构，它利用真空吸尘器原理，在采集管的前端设置一辅助喷嘴，辅助喷嘴射流先将赋存于沉积物上的多金属结核扫集到采集管入口处附近，再利用采集管中安装的离心泵产生的负压将多金属结核吸入采集管。该采集机构虽然结构简单，但存在着采集管的采集效率对离地高度变化敏感、不能适应海底地形变化、吸入的沉积物较多等不足。

“深海底资源开发研究的现状与未来＂(日本《资源-素材学会志》，鹤崎克也，1990年第10期)一文介绍了一种水力式采集机构，其工作原理与上述美国专利基本相同，但形成负压的方式有所不同。它取消了采集管中的离心泵，在采集管入口处安装一射流喷嘴(也称主喷嘴)，利用该喷嘴射流产生的附壁效应改变采集管入口处的海水流场分布，使前端辅助喷嘴扫集来的多金属结核在流场的作用下向上运动而进入采集管。同时为了减小采集管口的吸入阻力，还对入口处的形状作了改进，使之更加开放。但该机构仍存在着与上述美国专利相同的问题。

本发明的目的在于提供一种结构简单、工作可靠、采集效率高、适应性强、环境破坏小的大洋多金属结核水力式采集机构。

为实现上述目的，本发明的技术方案如附图1所示，它通过水力捕捉装置、水力输送装置和分离装置三部分的组合作用，完成对多金属结核的捕捉、输送和脱泥。其工作原理是相对而立的前排喷嘴3和后排喷嘴4产生的两排水射流斜向喷向海底，对赋存于海底沉积物中的多金属结核进行冲刷、松动，最终将多金属结核冲离沉积物并洗掉多金属结核上粘着的一部分沉积物，在前后排水射流共同形成的旋涡上升流的带动下，将多金属结核升举到一定高度，随着采集机构的向前移动，被举起的多金属结核在上导流极5、下导流板6以及两块侧板7、8的引导下进入输送区，在输送喷嘴9的作用下沿着输送通道10被送入分离装置进行脱泥，沉积物跟随输送通道冲出的水流穿过分离网15的网孔流走，多金属结核则沿下端开口落入储料仓。以下分述各部分的结构特点及其作用。

水力捕捉装置是本发明所述的水力式采集机构的最关键部分，它的主要功能是从沉积物中捕捉多金属结核，同时也有部分脱泥(脱泥是指去掉粘着在多金属结核上的沉积物)的辅助功能。如附图1、附图2所示，水力捕捉装置由前排喷管1、后排喷管2、前排喷嘴3、后排喷嘴4、上导流板5、下导流板6以及左右两块侧板7、8组成。前排喷管、后排喷管是一对稳压管，两端均与压力水供给管道相通，其作用是为安装在它们上面的前排喷嘴和后排喷嘴提供一个等压腔体，使这些喷嘴喷出均匀、稳定、连续的水射流；这两排喷管之间的距离为500～700毫米，两排喷管的直径均为安装在它们上面的喷嘴内孔直径的7～8倍，长度按照作业时所要求的采集宽度确定。前排喷嘴和后排喷嘴是水力捕捉装置的动力元件，主要工作参数范围是每排喷嘴愤射流量均为每米采集宽度55～92升/秒两排总计110～184升/秒，喷嘴出口喷射净压力为18～33千帕，两排喷嘴的对地俯视角范围均为40～50度，一般取45度，喷嘴出口离地高度均为210毫米，喷嘴可以是多个圆柱形喷嘴，也可以是一个或者多个矩形喷嘴，但无论选择哪一种形式的喷嘴，喷嘴均须满足上述工作参数的要求，并且均匀布满在所要求的全部采集宽度上，喷嘴入口还应作成圆弧过渡型并使喷嘴内表面光滑。上导流板和下导流板的作用是对前后排喷嘴形成的旋涡上升流进行整流和导流，使旋涡上升流携带多金属结核到达输送区，上下导流板的结构如附图1、附图2所示，两者均呈弧线型且上导流板的曲率半径大于下导流板的曲率半径，上导流板向输送通道10的上顶板12平滑过渡，下导流板平滑过渡到输送通道的下底板11并与之连成一体；上下导流板的宽度由所要求的采集宽度来确定，下导流板起点离地的高度与前后排喷嘴出口离地的高度相同均为210毫米；上下导流板之间的最小距离按多金属结核顺利通过所要求的最小通道尺寸来决定，这一数值为多金属结核最大粒径的1.3～1.5倍以上。左右两块侧板7、8设置在上下导流板的两侧，其作用是封闭上下导流板的两侧，阻止旋涡上升流流向两侧。

水力输送装置的功能是输送多金属结核。由于水力捕捉装置中形成的旋涡上升流所具有的能量只能将多金属结核升举到有限的离地高度(位置约在附图1所示的标记线A-A处)，因而设置了水力输送装置，将多金属结核送至分离装置中进行脱泥并使之落入储料仓。如附图1、附图4所示，水力输送装置由输送喷嘴9和输送通道10组成。输送喷嘴是水力输送装置的动力元件，其主要工作参数包括喷嘴出口喷射净压力、喷射流量等，按照使整个输送通道流体的速度大于最大粒径多金属结核沉降的分速度以及使整个输送通道流体的静压力大于输送阻力的原则来确定；输送喷嘴可以采用一个或者多个楔形喷嘴，也可以采用多个圆柱形喷嘴；但无论选择哪一种形式的喷嘴，喷嘴均须满足上述输送工作参数的要求，并且均匀布满在整个输送通道入口端的宽度上。输送通道的对地倾角范围为30～60度，倾角越大，多金属结核的沉降分速度就越大，要求输送喷嘴提供的输送功率也就越大，这一倾角一般取45度比较有利；输送通道入口端的横截面与上导流板5、下导流板6末端出口的横截面均呈矩形，且两者的宽度相等，均按所要求的采集宽度来确定，输送通道的高度按多金属结核顺利通过所要求的最小通道尺寸来决定，一般为多金属结核最大粒径的1.3～1.5倍以上；在附图1所示的标记线A-A处，输送通道的左右两块侧板13、14分别与水力捕捉装置的左右两块侧板7、8连成一体，输送通道的下底板11与水力捕捉装置的下导流板6连为一体，输送通道的上顶板12则在此处断开并弯曲延长成平滑圆弧过渡状，装入输送喷嘴9；此外，从输送通道入口端(即附图1所示的标记线A-A处)起430～450毫米长度以后的一段输送通道可以沿宽度方向缩小，或者收缩成横截面小于入口端的矩形通道如附图4(b)所示，或者收缩成横截面呈正方形的通道如图4(c)所示，或者直接收缩成圆柱形通道如附图4(d)所示；但收缩后的输送通道其横截面尺寸也应满足多金属结核顺利通过所要求的最小通道尺寸，即为多金属结核最大粒径的1.3～1.5倍以上，同时横截面积不同的两段输送通道之间应采用圆弧平滑过渡。

分离装置的作用是脱泥，如附图1、附图3所示，该装置是一个下端开口的网箱，其形状与输送通道10的末端出口相匹配。分离网15的网孔其形状可以是矩形、菱形，也可以是圆形；网孔的尺寸小于多金属结核最小粒径5～7毫米。从输送通道末端出口冲出的包含多金属结核和沉积物的水流，在该装置中进行分离，沉积物跟随水流直接穿过网孔流走，而多金属结核则从下端开口落入储料仓。

本发明所述的水力式采集机构在其宽度方向上可以扩大到指定的宽度，能够达到商业化开采时所要求的采集宽度并且保证其采集效果基本不变，扩大的方法可以整体一次性直接扩大到所指定的采集宽度，也可以作成几个较小宽度的水力式采集机构组合达到所指定的采集宽度。

本发明所述的水力式采集机构，在实验室或者在浅水、浅海中作模拟采集试验使用，可采用普通金属或者不锈钢制成；在商业化开采时则应采用耐磨、耐腐蚀的合金材料或者复合材料制成。

本发明所述的水力式采集机构与现有的其他种类的采集机构相比，具有以下显著优点：

<1>结够简单、紧凑，部件数量少，无运动副，无须考虑润滑、密封等问题，工作可靠，故障少，连续作业时间长。

<2>动力源单一，前后排喷嘴和输送喷嘴均以压力水为动力源，可共用水泵、管道和控制系统。

<3>对海底地形变化适应性强。采集机构的采集口在离地高度210毫米范围内变化对多金属结核的采集率没有明显影响，克服了现有水力式采集机构的采集率对采集口离地高度变化敏感的问题。

<4>多金属结核的采集率可达95％以上，最大可达100％；脱泥率在95％以上，最大可达98％。而一般认为多金属结核的采集率能达到80％以上、脱泥率在85％以上的采集机构即具有工业应用前景。

<5>对海底沉积物的搅动少。由于水力式采集机构的采集口与海底无直接接触并且前后排喷嘴均采用低压水射流，这就把对海底沉积物的搅动减少到了最小限度从而有利于海洋生态环境的保护。

图面的简单说明。

附图1为大洋多金属结核水力式采集机构示意图。

附图2、附图3、附图4分别为大洋多金属结核水力式采集机构通过I-I、II-II、III-III的横剖视图。其中附图4中(a)为不收缩的输送通道10的横剖视图，而(b)、(c)、(d)为经收缩的输送通道10的横剖视图。各标号的名称为：

1    前排喷管；         2    后排喷管；

3    前排喷嘴；         4    后排喷嘴；

5    上导流板；         6    下导流板；

7    上下导流板左侧板； 8    上下导流板右侧板；

9    输送喷嘴；         10    输送通道；

11    输送通道下底板；  12    输送通道上顶板；

13    输送通道左侧板；  14    输送通道右侧板；

15    分离网。

实施例。现将本发明人制作的采集宽度为600毫米之水力式采集机构的结构、参数及其试验结果作一具体描述。如附图1、附图2、附图3、附图4所示；水力式采集机构的宽度为600毫米，高度为900毫米，水平长度为1.24米，输送通道10对地倾角45度。前排喷管1和后排喷管2其直径均为Φ102毫米，长度均为640毫米，两排喷管之间的距离为530毫米。前排喷嘴3和后排喷嘴4对地俯视角同为45度，喷嘴出口离地高度同为140毫米；采用圆柱形喷嘴，在厚度为25毫米的整块钢板上钻孔制成，喷嘴数目每排30个两排共计60个，其内孔直径均为φ15毫米，长度90毫米，均匀分布在600毫米的宽度上；喷嘴的喷射净压力前后排同为21千帕，喷射流量每排33升/秒两排总计66升/秒。上导流板5和下导流板6的宽度与采集宽度一致同为600毫米；上下导流板的形状均呈弧线型，上导流板的圆弧半径为R300毫米，下导流板的园弧半径为R125毫米，下导流板起点离地的距离与前后排喷嘴出口的离地高度相同均为140毫米，左右两块侧板7、8的长度均为400毫米。输送通道10不收缩，其横截面呈矩形；输送通道的高度为125毫米，长度为750毫米，其宽度与采集宽度一致同为600毫米；输送通道的下底板11与下导流板6连为一体，左右两块侧板13、14分别与上下导流的左右两块侧板7、8连为一体；输送通道上顶板12的过渡段的圆弧半径为R175毫米。输送喷嘴9采用整体楔形喷嘴，其出口横截面为宽570毫米、高3毫米的矩形，其外形轮廓线的圆弧半径均为R175毫米，弧度均为75度；喷嘴出口的喷射净压力为35千帕，喷射流量为44升/秒。分离装置的尺寸为宽620毫米、高250毫米、长260毫米；分离网15的网孔呈正方形，边长20毫米。试验条件为：水深1.7米；多金属结核粒径为Φ25～Φ85毫米，丰度为7千克/平方米；沉积物厚度为200毫米，上层50毫米厚度其抗剪强度小于4千帕，下层150毫米厚度其抗剪强度为5～7千帕；采集宽度为600毫米，长度为10米。采集试验共进行15次，试验结果为：多金属结核的采集率为95～97％，最大可达100％；脱泥率为95～96％，最大可达98％；采集机构的行走速度为0.55～0.7米/秒；采集能力(即产量)为7.9～9吨/小时，最大可达10吨/小时。

Claims (5)

1.一种大洋多金属结核水力式采集机构，它由多金属结核水力捕捉装置、多金属结核水力输送装置和多金属结核与沉积物分离装置三部分构成，其特征在于：

水力捕捉装置、水力输送装置和分离装置三者连成一整体结构；

水力捕捉装置包括：相对而置的前排喷管(1)和后排喷管(2)，其下方分别装有成俯视角的前排喷嘴(3)和后排喷嘴(4)，上方分别设置上导流板(5)和下导流板(6)以及左右两块侧板(7)与(8)；

水力输送装置包括输送喷嘴(9)和输送通道(10)，输送喷嘴紧贴输送通道的上顶板(12)；

分离装置是下端开口、其余部分分布着众多小孔的网箱，沉积物透过分离网(15)的网孔流走，多金属结核沿下端开口落入储料仓。

2.根据权利要求1所述的水力式采集机构，其特征在于前排喷嘴(3)和后排喷嘴(4)可由多个圆柱形喷嘴组成，也可由一个或者数个矩形喷嘴构成。

3.根据权利要求1所述的水力式采集机构，其特征在于上导流板(5)和下导流板(6)的形状均呈弧线型，且上导流板的曲率半径大于下导流板的曲率半径。

4.根据权利要求1所述的水力式采集机构，其特征在于输送喷嘴(9)可由一个或者数个楔形喷嘴构成，也可由多个圆柱形喷嘴组成。

5.根据权利要求1所述的水力式采集机构，其特征在于上导流板(5)和下导流板(6)末端出口的横截面与输送通道(10)入口端的横截面均呈矩形，且两者的宽度相等，从输送通道入口端起430～450毫米长度以后的一段输送通道，其横截面的形状可以沿宽度方向缩小成截面积小于入口端的矩形或者正方形或者圆形。

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