CN113250268A - 一种耙吸挖泥船舱内泥沙消能沉积系统 - Google Patents

Abstract

一种耙吸挖泥船舱内泥沙消能沉积系统，其特征是，包括排布于舱内的特制装舱消能管路体系和与之相配合的专用对冲式消能装置，空间上经三个维度配合转换，转变流体的速度方向，通过内部能量消耗或者转化以使得流体运输方向上的速度降到最低。

Description

一种耙吸挖泥船舱内泥沙消能沉积系统

技术领域

本发明涉及疏浚工程技术领域，特别涉及耙吸挖泥船装舱溢流施工。

背景技术

耙吸挖泥船是目前国内外疏浚吹填施工领域的主力船型，其主要用途是通过耙头将河湖海岸的底泥挖松、打碎后，通过船舱内泥泵将底泥和水吸入，再通过连接泥泵的管路，将混合的泥浆泵送入泥舱内，并在泥舱内沉积。构造上，耙吸挖泥船的关键设备主要包括：1)耙头和耙臂；2)泥泵；3)泥舱(常规的进舱消能装置和溢流筒)；4)推进器；5)球鼻艏等。

耙吸挖泥船施工过程中，从疏浚区到抛泥区之间往返距离较长，为提高经济效率，节约成本，挖泥船在施工装舱过程中都会采用溢流施工工艺,利用耙吸挖泥船泥舱内可升降式溢流筒，通过改变溢流筒的高度，在维持船体吃水不变前提下，尽可能溢出多余的水以换取更多舱容储存沉积的泥沙，提高船舶泥沙装载量。影响耙吸挖泥船装舱溢流施工效率的一个关键因素是在现有进舱泥浆流量、浓度不变的前提下，如何降低进舱泥浆的流速，尤其是对因粒径小沉降缓慢的粉细砂，从而有利于浆体中泥沙沉积在泥舱内部，而不会溢流出泥舱。

现有技术：

传统的降低进舱泥浆流速采用水流消能方法主要有挑流、面流和底流消能。近年来一些新型消能技术研究也得到了运用，如收缩式消能、水跃消能、异形鼻坎消能。但应对粒径小沉降缓慢的粉细砂，现有各类方法实施效果都显有限。

另外，其它领域诸如水利工程，设计消能防冲结构、消力池等实现对冲消能技术在中小型水利工程中的应用。

发明内容

本发明目的在于公开一种耙吸挖泥船舱内泥沙消能沉积方法及系统，降低进舱泥浆的流速，以促进浆体中泥沙的沉积，提高溢流时期耙吸挖泥船泥沙装载量的问题。

为此，本发明技术方案：

一种耙吸挖泥船舱内泥沙消能沉积系统，其特征是，包括排布于舱内的装舱消能管路体系和与配合的专用对冲式消能装置，在空间上三个维度科学合理的配合，转变流体的速度方向，通过内部能量消耗或者转化以使得流体运输方向上的速度降到最低；

所述装舱消能管路体系入口侧通过一总管(图中未示意出)置于耙吸挖泥船舱的进舱口，作为输送的起始端，该总管分化成两个主管(3)，沿耙吸挖泥船舱长度方向水平布置，用于输送泵送来的泥浆液(流体中沙子颗粒初始动量mv_水平)，其输出端伸向耙吸挖泥船舱的的溢流筒装置那侧；

所述装舱管路体系还包括竖向分流管(4)；每个主管(3)在长度方向上间隔设置有竖向分流管(4)，与两个主管(3)所在平面垂直，引流向下，引流而下的流体中沙子颗粒动量改为mv_垂直；理论上完成势能-动能转化，以及在底部撞击后形成多方向的动量和更为复杂的能量转化；

进一步优化，竖向分流管(4)的长度可以随泥沙粒径的减小而增加，通过减小泥沙沉降距离使得细颗粒泥沙更快实现沉积在泥舱。

所述装舱管路体系还包括横向消能装置(5)；每个竖向分流管(4)底端配合设置有横向消能装置(5)将泥浆分流扩散，分流的流体中沙子颗粒动量被约束改为mv_横向，即第三个维度的动量改变；该横向消能装置(5)布置于耙吸挖泥船舱低位，每个消能装置(5)包括一个横向管(2)和多个对冲式消能器(1)，通过所在的横向管(2)将多个对冲式消能器(1)连通；所述对冲式消能装置(5)包括多组对冲消能器(1)，在横向各个对冲消能器(1)同时都与横向管(2)连通；横向管(2)顶部连接通过泥浆输送竖向分流管(4)引入分流而下来的泥浆；

每个对冲消能器(1)单体，其中间设置分流板(1-1)用于分割成两个腔室，所述分流板(1-1)位于消能器正中心线位置，将能量流约束均分成两路，在横向输出端分别设置有格栅板(1-2)；多个对冲消能器相邻安装，端侧格栅板(1-2)相互对置，形成半闭合场(1-3)。如此，相邻端侧格栅板(1-2)相互对置，终端输出的流体动量在约束的半闭合场(1-3)中大小相当，大部分“匹配”式抵消。在底部的消能装置(5)，在横向布设的对冲消能器(1)，作为每个消能沉淀微单元，它们的工作：

左路对冲消能器1固定安装在横向管2的左侧出流口上。耙吸船施工时，泥浆从横向管2进入消能器内，通过其内部的分流板(1-1)将单股泥浆分隔成两股泥浆。一股从左路对冲消能器(1)的左侧流出，并冲击耙吸挖泥船泥舱的左侧壁面，与侧壁面对撞后流体动能消耗，另一股从左路对冲消能器(1)的右侧流出，和中路对冲消能器(1)的左侧出流口流出的泥浆互相进行对冲撞击，由于动量相当，理论上动量抵消，动能内耗完，实际融合后流体动能大幅消耗，效果极佳。

中路对冲消能器(1)安装在装舱横管2的中间出流口上，耙吸船施工时，泥浆从装舱横管2进入消能器内。通过其内部的分流板(1-1)将单股泥浆分隔成两股泥浆。一股往中路对冲消能器(1)的左侧流出，和左路对冲消能器(1)的右侧流出的泥浆互相进行对冲撞击，另一股从中路对冲消能器(1)的右侧流出，和右路对冲消能器(1)的左侧流出的泥浆互相进行对冲撞击。由于相邻接触的两股流体，动量相当，理论上动量抵消，动能内耗完，实际融合后流体动能大幅消耗，效果极佳。

右路对冲消能器(1)安装在装舱横管2的右侧出流口，通过其内部的分流板(1-1)将单股泥浆分隔成两股泥浆。一股泥浆往右路对冲消能器(1)的右侧流出，并冲击耙吸挖泥船泥舱的右侧壁面，与侧壁面对撞后流体动能消耗，另一股流体从右路对冲消能器(1)的左侧流动，和中路对冲消能器(1)的右侧流出的泥浆互相进行对冲撞击，由于动量相当，理论上动量抵消，动能内耗完，实际融合后流体动能大幅消耗，效果极佳。

分流板(1-1)固定安装在消能器的中心线上，此是本发明创新的必要技术特征，其作用是分隔并偏转进入对冲消能器的流动泥浆，使其形成沿泥舱宽度方向相互对冲流动的泥浆。

格栅板(1-2)安装在消能器的两侧出流口前端，其作用是将进入消能器的流体进一步分流、扩散。进一步优化，两侧出流口前端底部可以根据相邻消能器的距离和出流流速调节挑角，使得经格栅板分割出流后的泥浆相互碰撞消能实施效果最佳。

将沿泥舱长度方向进舱的泥浆转为沿宽度方向进舱，通过三个过程三个维度的转化，“降低动量中的v速度，与泥沙颗粒本身的重量m无关”，最终分割成多股流体，引导泥浆最优的能量内耗方案，大大消耗大量动能。理论上彻底解决了进舱泥浆运输方向上的流速，促进浆体中泥沙的沉积，提高溢流期间耙吸挖泥船泥沙装载量。经研究实验表明采用对冲消能新装置后能降低进舱泥浆的流速10％以上，能更多提高溢流期间耙吸挖泥船泥沙，尤其是粉细砂装载量(能应对75-125微米粒径范围)，因此在本领域效果显著。

附图说明

图1耙吸挖泥船侧视图；

图2为实施例耙吸挖泥船对冲式消能进舱装置示意图(箭头示意流体流动方向)；

图3为对冲式消能器结构示意图(箭头示意流体流动方向)；

数字标记：

对冲消能器(1)、分流板(1-1)、格栅板(1-2)；

布排于舱内的装舱管路体系：主管3、横向管2、竖向分流管4；消能装置(5)；

具体实施方式

以下是本发明具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

如图1、图2、图3所示，基于本发明技术方案思想，实施时，在船舱内可以布设成“多级”消能沉积系统，以两级为例，施工时进舱泥浆经过总管(初始的流量Q0、密度p0、速度v0)，首次分流沿船舱两侧主管各一路并行(流量Q1＝0.5Q0，速度v1<v0)：

其中，二次分流中的一部分通过第一级竖向分流管进入第一级对冲式消能进舱装置(流量Q2<Q1，速度v2<v1)：先经第一级对冲消能装置进行第三次分流，将原先沿泥舱长度方向的、单向的泥浆分成沿泥舱宽度方向且以背向方式分流的泥浆(分流后的流量Q3<Q2、速度v3<v2)，再经对冲消能装置分割成多股泥浆(分割后的细流量Q4<Q3、速度v4<v3)，出流后的泥浆在泥舱内相互冲击碰撞，进一步消耗大量动能(对冲碰撞后速度v5)；以上完成一级消能，末端水流方向沿泥舱宽度方向。

其中，二次分流中的另一部分则继续沿主管向前流动，通过第二级竖向分流管进入第二级对冲式消能进舱装置(流量Q6+Q2＝Q1，速度v6<v2<v1)：与上述一样的机理完成第二级消能，末端水流方向沿泥舱宽度方向。

前后两个对冲式消能进舱装置联合使用，将改向的泥浆出流后相互冲击碰撞，因逆向水力作用消耗大量动能(回转、撞击、分散、掺混)，完成消能,然后以较小的流速继续沿长度方向流向溢流筒。

采用上述装舱溢流施工工艺,在不改变现有进舱泥浆流量、浓度的前提下，最终将进舱泥浆的流速降低至v5(v5显著小于现有消能箱装置进舱流速v3’，v3’<v3)，为沉降缓慢的粉细砂提供紊动强度更弱的环境，明显减少浆体中溢流出泥舱的泥沙，提高耙吸挖泥船装舱溢流效率和船舶装载量。

万吨级耙吸挖泥船通常设置两级竖向分流管，间距一般固定，管径一致。竖向分流管4的长度可以根据进舱泥浆的粒径、流量调节以达到最佳实施效果。

举例而非限定，作为实施例技术方案，本发明对冲式消能装置(5)，包括三组对冲消能器(1)：左路对冲消能器、中路对冲消能器、右路对冲消能器，在横向由横向管(2)将三者连通；横向管(2)顶部连接泥浆输送竖向分流管(4)引入分流而下来的泥浆；每个对冲消能器(1)单体，其中间设置分流板(1-1)用于分割成两个腔室，在横向输出端分别设置有格栅板(1-2)；左中右路三个对冲消能器(1)相邻安装，端侧格栅板(1-2)相互对置。

本发明属于疏浚工程技术领域，用于疏浚行业中耙吸挖泥船装舱溢流工法。耙吸挖泥船施工过程中，从疏浚区到抛泥区之间往返距离较长，为提高经济效率，节约成本，挖泥船在施工中都会采用装舱溢流施工工艺,尽可能提高船舶装载量。影响耙吸挖泥船装舱溢流施工效率的一个关键因素是在现有进舱泥浆流量、浓度不变的前提下，如何降低进舱泥浆的流速，从而有利于浆体中泥沙沉积在泥舱内部，而不会溢流出泥舱，尤其是针对沉降缓慢的粉细砂。

使得进入舱内的泥浆流速有较大幅度降低，从而有利于泥沙颗粒沉积在泥舱底部，提升耙吸挖泥船溢流期间土方装载量。相比耙吸挖泥船装舱溢流现有的消能方式，本发明更好利用流体自身能量进行转化和消能，无需过多依靠外部设备，在提高了消能效率的同时又降低了消能成本。

Claims (2)

1.一种耙吸挖泥船舱内泥沙消能沉积系统，其特征是，包括排布于舱内的特制装舱消能管路体系和与之相配合的专用对冲式消能装置，空间上经三个维度配合转换，转变流体的速度方向，通过内部能量消耗或者转化以使得流体运输方向上的速度降到最低；

所述装舱消能管路体系入口侧通过一总管置于耙吸挖泥船舱的进舱口，作为输送的起始端，该总管分化成两个主管(3)，沿耙吸挖泥船舱长度方向水平布置，用于输送泵送来的泥浆液，初始动量mv_水平，其输出端伸向耙吸挖泥船舱的的溢流筒装置那侧；

所述装舱管路体系还包括竖向分流管(4)；每个主管(3)在长度方向上间隔设置有竖向分流管(4)，与两个主管(3)所在平面垂直，引流向下，引流而下的流体中沙子颗粒动量改为mv_垂直；

所述装舱管路体系还包括横向消能装置(5)；每个竖向分流管(4)底端配合设置有横向消能装置(5)将泥浆分流扩散，分流的流体中沙子颗粒动量被约束改为mv_横向，即第三个维度的动量改变；该横向消能装置(5)布置于耙吸挖泥船舱低位，每个消能装置(5)包括一个横向管(2)和多个对冲式消能器(1)，通过所在的横向管(2)将多个对冲式消能器(1)连通；所述对冲式消能装置(5)包括多组对冲消能器(1)，在横向各个对冲消能器(1)同时都与横向管(2)连通；横向管(2)顶部连接通过泥浆输送竖向分流管(4)引入分流而下来的泥浆；

每个对冲消能器(1)单体，其中间设置分流板(1-1)用于分割成两个腔室，所述分流板(1-1)位于消能器正中心线位置，将能量流约束均分成两路，在横向输出端分别设置有格栅板(1-2)；多个对冲消能器相邻安装，端侧格栅板(1-2)相互对置，形成半闭合场(1-3)；如此，相邻端侧格栅板(1-2)相互对置，终端输出的流体动量在约束的半闭合场(1-3)中大小相当，大部分“匹配”式抵消。

2.如权利要求1所述的一种耙吸挖泥船舱内泥沙消能沉积系统，其特征是，在底部的消能装置(5)，在横向布设的对冲消能器(1)，作为每个消能沉淀微单元，它们的工作：

左路对冲消能器1固定安装在横向管2的左侧出流口上；耙吸船施工时，泥浆从横向管2进入消能器内，通过其内部的分流板(1-1)将单股泥浆分隔成两股泥浆；一股从左路对冲消能器(1)的左侧流出，并冲击耙吸挖泥船泥舱的左侧壁面，与侧壁面对撞后流体动能消耗，另一股从左路对冲消能器(1)的右侧流出，和中路对冲消能器(1)的左侧出流口流出的泥浆互相进行正面对冲撞击。

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