CN114670982B - 一种基于空化水射流的船体清洗装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋船舶技术领域，具体涉及一种针对船体附着生物等顽固污垢的清洗装置。一种基于空化水射流的船体清洗装置，主要由喷射器、管路系统组成；所述喷射器包括喷射盘，喷射盘上设有若干个喷射孔，每个喷射孔内装配一个空化喷嘴；所述的空化喷嘴包括壳体，所述壳体的两端设有入水口、出水口；所述入水口与管路系统连接，所述出水口与喷射孔连接；在所述壳体内部沿壳体轴向布置至少一组空化发生器。本发明利用空化原理，通过改变水流流速，在射流中产生大量空泡，利用空泡破灭形成的冲击达到清理船体的目的。

Description

一种基于空化水射流的船体清洗装置

技术领域

本发明属于海洋船舶技术领域，具体涉及一种针对船体附着生物等顽固污垢的清洗装置。

背景技术

以藤壶、贝类等为代表的附着生物是船舶的最大敌人之一。表面粗糙的船底极易被藤壶等污损生物附着，导致船体加厚变粗，大大增加船舶的航行阻力，导致航速降低，进而增加船舶的油耗。数据表明，即使是轻度的生物附着，船舶的油耗也会增加10%-15%。除了降速之外，附着生物的分泌物具有一定的腐蚀性，会对船壳和船底表面造成损害，从而增加船舶维修频次和维护费用，缩短船舶的使用寿命。特别是如果生物附着在螺旋桨、进排水口等船舶的敏感部位，更会影响航行安全。

传统处理生物附着的方法，一种是在船底涂覆防护涂层，例如氧化铜等对藤壶等污损生物有毒的涂料，但是由于这些涂料会不断降解，既会对海洋环境造成污染，又不能从根本上解决生物附着的危害。另一种是物理方法，通过高压射流技术对船舶表面进行清洗，高压射流技术对一般污垢有很好的清理效果，但是由于藤壶等附着生物不仅附着密度大而且附着能力强，即使长时间高压射流冲洗，依然无法全部冲掉。另外，如果水压过高或者长时间对准一个地方喷射，还可能对船体造成损伤，增加额外维护费用，得不偿失。

空化是指流动的液体中因为压力差在短时间内发生的空泡产生与破灭的物理现象。液体流动速度越快，压力越小，水的饱和蒸汽压就会降低，液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸气或气体就会产生空泡，而这些空泡如果继续随着液体进入压力较高的区域就会失去存在条件突然破灭形成冲击波。气泡经历初生、发展，并溃灭，特别是在溃灭过程，形成高温高压射流，同时伴随着热效应、化学效应和机械效应。单个气泡破灭形成的冲击波虽然很小，但是如果大量气泡随着水流在目标壁面不断破灭，对目标壁面附着污垢进行反复侵蚀，就会起到清洗壁面的作用。

发明内容

本发明的目的是针对现有船体表面生物附着清洗技术存在的问题，提供一种基于空化水射流的清洗装置，该装置采用空化原理，利用空泡破灭形成的冲击达到清理和杀灭附着生物或清除其他污垢的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于空化水射流的船体清洗装置，主要由喷射器、管路系统组成；所述喷射器包括喷射盘，喷射盘上设有若干个喷射孔，每个喷射孔内装配一个空化喷嘴；所述的空化喷嘴包括壳体，所述壳体的两端设有入水口、出水口；所述入水口与管路系统连接，所述出水口与喷射孔连接；在所述壳体内部沿壳体轴向布置至少一组空化发生器；所述空化发生器由固定圆盘、旋转圆盘及旋转轴组成；固定圆盘固定于所述壳体内壁上；旋转圆盘固定于旋转轴上，与所述固定圆盘紧贴；固定圆盘和旋转圆盘的盘面上分别设有若干沿径向方向布置的通孔。

进一步优选地，所述固定圆盘上的通孔为圆形通孔，圆形通孔的直径沿径向方向从内到外逐渐增大；所述圆形通孔向固定圆盘中心倾斜布置。

进一步优选地，所述固定圆盘的边缘处沿周向设有若干个弧形通孔。

进一步优选地，所述旋转圆盘上的通孔截面沿径向方向从内到外逐渐增大。

进一步优选地，旋转圆盘上与固定圆盘紧贴的一面上设有若干个凹槽，所述凹槽自圆盘边缘向中心延伸至部分通孔。

进一步优选地，固定圆盘边缘处的弧形通孔与旋转圆盘的凹槽采用均布排列，且二者之间满足：

N ≥ M/2；

θ ≥ 2π/M；

其中，N为固定圆盘弧形通孔的个数，M为旋转圆盘上凹槽的个数，M为偶数，θ为弧形通孔的弧度。

进一步优选地，固定圆盘的直径大于旋转圆盘的直径。

进一步优选地，所述喷射盘设有支撑架；所述支撑架的外端面设有若干个滚珠。

进一步优选地，还包括主控单元，所述主控单元与喷射器、管路系统连接，用于控制管路系统及整个装置的启停。

进一步优选地，靠近壳体的入水口、出水口位置分别设有压力传感器，所述压力传感器与主控单元连接，用于监测所述旋转圆盘两侧的压力差。

本发明的装置，与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明利用空化原理，通过改变水流流速，在射流中产生大量空泡，利用空泡破灭形成的冲击达到清理船体的目的，同时，空泡破灭能够减轻射流对船体的损伤，清理效果好，尤其对船体附着生物的清理非常彻底。本发明的装置，携带方便，操作灵活，适合对船体各个部位的清理。

附图说明

图1为本发明实施例中基于空化水射流的船体清洗装置的整体结构示意图；

图2为喷射器的示意图；

图3为空化喷嘴的结构示意图；

图4为空化喷嘴的剖面图；

图5为固定圆盘的主视图；

图6为图5中沿A-A向剖视图；

图7为旋转圆盘的正面视图；

图8为旋转圆盘的背面视图（紧贴固定圆盘的一面）；

图9为喷射器及手柄内部的管路系统结构示意图；

图10（a）为运行过程中空化发生器过流截面最大时的状态示意图；

图10（b）为运行过程中空化发生器过流截面由大变小的中间状态示意图；

图10（c）为运行过程中空化发生器过流截面最小时的状态示意图；

图11为图10（c）状态下的液体流动示意图；

图12为实际应用场景中本发明的装置与外部水源连接示意图；

图13本发明实施例中基于空化水射流的船体清洗装置的控制原理框图；

1：喷射器；2：手柄；3：喷射盘；4：支撑架；5：喷射孔；6：空化喷嘴；

7：滚珠；8：万向节；9：固定圆盘；10：旋转圆盘；11：旋转电机；12：压力传感器；13：销键；14：手柄控制器；15：主路水管；16：支路水管；17：主电源线；18：支路电线；19：支座；20：软管接头；21：软管；22：水泵；23：气泵；24：气管；

6-1：壳体；6-2：入水口；6-3：出水口；6-4：旋转轴；

9-1：圆形通孔；9-2：弧形通孔；

10-1：轴孔；10-2：键槽；10-3：通孔；10-4：凹槽。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

实施例 本发明的基于空化水射流的船体清洗装置，如图1所示，主要包括：喷射器1、手柄2和主控单元。其中，喷射器1由喷射盘3和支撑架4组成，喷射盘3的盘面上设有若干个喷射孔5，每个喷射孔5装配一个空化喷嘴6。空化喷嘴6通过支座19采用螺栓固定在喷射盘3的内部。空化喷嘴6的数量视喷射盘3的尺寸而定。

如图2所示，支撑架4为外扩型框架结构，一端固定在喷射盘3上，另一端开放并且在端面设有若干个滚珠7。使用时，支撑架4的外端抵在船体表面，通过滚珠7实现装置在船体表面移动。支撑架4两端的间距，即喷射盘3与被清洗对象之间的间距需根据装置的最佳冲蚀距离进行设定。若喷射盘3与被清洗对象之间的间距过大，会影响装置的清洗效果。喷射盘3的内部设有管路系统。

手柄2上设有万向节8，喷射器1通过万向节8与手柄2连接，允许喷射器1进行任意角度调节。其中，手柄2为中空的管状结构，其内部供管路系统通过。同时，手柄2上还设有手柄控制器14，该手柄控制器用于控制清洗装置的启停、流量调节以及空化数据实时显示等。

如图3、图4所示，空化喷嘴6包括L型的壳体6-1，在壳体6-1的两端分别设有入水口6-2、出水口6-3。在壳体6-1内沿壳体轴心设有旋转轴6-4, 旋转轴6-4由旋转电机11驱动，旋转轴6-4与壳体6-1的两端通过填料函、密封套筒等进行动密封。沿旋转轴6-4设置有若干个空化发生器。每一个空化发生器由两个紧贴的圆盘组成，分别是固定圆盘9和旋转圆盘10。

如图4所示，固定圆盘9边沿嵌入壳体6-1内壁上预留的凹槽内，固定在壳体内。如图7所示，旋转圆盘10的中部设有轴孔10-1，供旋转轴6-4穿过。轴孔10-1边缘设有键槽10-2，通过销键13和键槽10-2的配合，使旋转圆盘10与旋转轴6-4连接固定，由转轴6-4带动旋转。壳体6-1内部，靠近入水口6-2和出水口6-3位置分别设有压力传感器12，用于监测空化喷嘴6内部旋转圆盘两侧的压力差并实时反馈给手柄控制器14。

如图5和图6所示，固定圆盘9上开有若干个圆形通孔9-1，这些圆形通孔的直径沿径向方向由中心到边缘逐渐增大，即靠近边缘的圆形通孔面积大于靠近中心的圆形通孔面积。同时，该圆形通孔9-1是倾斜的，沿液体流动方向朝轴心汇聚。采用此种设计的目的是：当旋转圆盘10转动时，空化喷嘴腔体内的液体受离心力的作用会被甩至腔体的边缘，通过该倾斜的圆形通孔9-1能够起到汇聚的作用，将被甩到边缘的液体向中心汇聚，从而使腔体内的流体分布更加均匀。另外，在固定圆盘9边缘处沿周向还设有若干个弧形通孔9-2。固定圆盘9的中心也设有轴孔，供旋转轴6-4穿过，但与旋转轴不接触。

如图7所示，旋转圆盘10上也开有若干个通孔10-3，且沿径向方向从中心到边缘通孔的截面面积逐渐增大。同时，旋转圆盘10紧贴固定圆盘9的那一面上还设有若干个凹槽10-4，该凹槽为倒三角形，自圆盘边缘延伸至中间的通孔10-3，如图8所示，采用倒三角形的凹槽可避免旋转圆盘转动时离心力引起的液体回流。

固定圆盘9的直径d _s 大于旋转圆盘10的直径d _r ，固定圆盘9靠近边缘处的弧形通孔9-2的外沿与旋转圆盘10的外沿齐平。为了避免旋转过程中存在流道封闭的情况，旋转圆盘10的凹槽10-4与固定圆盘9边缘的弧形通孔9-2之间需满足：假定凹槽10-4和弧形通孔9-2均设置为均布，若凹槽10-4个数为M（M为偶数），则弧形通孔9-2的个数N ≥ M/2，弧形通孔9-2的弧度θ ≥ 2π/M。在本实施例中，M为6，则N至少为3，且每个弧形通孔的弧度至少为π/3。

如图9所示，管路系统主要包括水路系统和电路系统，其中水路系统包括主路水管15，主路水管15从手柄2内部穿过，与外部的水管连接。主路水管分出若干支路水管16，每一个支路水管16连接一个空化喷嘴6，与空化喷嘴6壳体的入水口6-2连接，将冲洗用的水通入空化喷嘴6内。空化喷嘴6壳体的出水口6-3通过一段水管与喷射盘上的喷射孔5相接，通过喷射孔5向外喷出。需要说明的是，由于喷射器1通过万向节8与手柄2连接，使得喷射器1可进行任意角度调节，因此，位于手柄2内部的主路水管15通过万向节的那一段 采用波纹管或橡胶软管，便于随喷射器调节角度。

空化喷嘴6的出水口端采用支座19支撑固定，支座19 的两端分别与空化喷嘴6、喷射盘3分别采用螺栓连接固定。

电路系统包括主电源线17个和若干电源支线18，每一路电源支线连接一个旋转电机11，为旋转电机供电，旋转电机11驱动空化喷嘴6内的旋转轴6-4旋转，从而带动旋转圆盘10旋转。

图12给出了本发明装置的具体应用场景，装置的主路水管15首先通过软管接头20连接管件三通；管件三通又分别与软管21和气管24连接，软管21再与水泵22的出口连接，同时水泵22入口通过软管21与水源连接；气管24与气泵23连接。

本发明的装置，还设有主控单元，对装置涉及的水泵22、旋转电机11、气泵23进行控制。如图13所示，具体功能包括：实时采集压力传感器12的数据；采集手柄控制器14的启停信号，控制气泵23、水泵22、旋转电机11的启停；采集手柄控制器14的工作模式信号，相应地调节气泵23、旋转电机11的工作状态。在本实施例中，主控单元为MCU。

本发明提供的基于空化水射流的船体清洗装置，工作过程和原理如下所述：

空化喷嘴6的入水口6-2、壳体6-1内腔、固定圆盘9上的圆形通孔、旋转圆盘10上的通孔和空化喷嘴6的出水口6-3共同构成液体输送通道。工作时，主控单元通过变频器控制水泵，将冲洗水通过主路水管15、支路水管16自入水口6-2泵入空化喷嘴6的壳体内部。同时，主控单元通过电机驱动器启动旋转电机11，旋转电机11通过旋转轴6-4带动旋转圆盘10以一定转速旋转。旋转过程中，由于固定圆盘9不动，随着旋转圆盘10的旋转，流体的过流截面不断发生变化。如图10（a）所示，当过流截面最大时，水流流速最小；当旋转圆盘10和固定圆盘9的通孔错位时，过流截面减小，如图10（b）所示，水流流速增大，产生空化；当旋转圆盘上的通孔完全封闭时，如图10（c）所示，水流可以通过固定圆盘9边缘的弧形通孔9-2，经旋转圆盘10的凹槽10-4，最终由旋转圆盘10上的通孔10-3流过，如图11所示。经过多组空化发生器的空化作用后，最终经由出水口6-3排出，进而通过喷射盘3上的喷射孔5喷出。在本实施例中，当旋转圆盘10旋转一周时，流道过流截面最大、中间和最小的占比分别为5/12、4/12和3/12。经过多级空化作用喷出的射流中产生大量空泡，与船体上的污物或附着生物接触后，空泡破灭形成的冲击力叠加射流的冲击作用，能够很容易将污物或附着生物冲刷掉。为了提高空化效果，在水流进入空化喷嘴之前，可以通过气泵向管路中适当通入空气，通过流量控制器调节空气的流量。

Claims (7)

1.一种基于空化水射流的船体清洗装置，其特征在于：主要由喷射器、管路系统组成；所述喷射器包括喷射盘，喷射盘上设有若干个喷射孔，每个喷射孔内装配一个空化喷嘴；所述的空化喷嘴包括壳体，所述壳体的两端设有入水口、出水口；所述入水口与管路系统连接，所述出水口与喷射孔连接；在所述壳体内部沿壳体轴向布置至少一组空化发生器；所述空化发生器由固定圆盘、旋转圆盘及旋转轴组成；固定圆盘固定于所述壳体内壁上；旋转圆盘固定于旋转轴上，与所述固定圆盘紧贴；固定圆盘和旋转圆盘的盘面上分别设有若干沿径向方向布置的通孔；空化喷嘴的入水口、壳体内腔、固定圆盘上的圆形通孔、旋转圆盘上的通孔和空化喷嘴的出水口共同构成液体输送通道，随着旋转圆盘的旋转，流体的过流截面不断发生变化；所述固定圆盘的边缘处沿周向设有若干个弧形通孔；旋转圆盘上与固定圆盘紧贴的一面上设有若干个凹槽，所述凹槽自圆盘边缘向中心延伸至部分通孔；固定圆盘边缘处的弧形通孔与旋转圆盘的凹槽采用均布排列，且二者之间满足：

N ≥ M/2；

θ ≥ 2π/M；

其中，N为固定圆盘弧形通孔的个数，M为旋转圆盘上凹槽的个数，M为偶数，θ为弧形通孔的弧度。

2.根据权利要求1所述的基于空化水射流的船体清洗装置，其特征在于：所述固定圆盘上的通孔为圆形通孔，圆形通孔的直径沿径向方向从内到外逐渐增大；所述圆形通孔向固定圆盘中心倾斜布置。

3.根据权利要求1所述的基于空化水射流的船体清洗装置，其特征在于：所述旋转圆盘上的通孔截面沿径向方向从内到外逐渐增大。

4.根据权利要求1所述的基于空化水射流的船体清洗装置，其特征在于：固定圆盘的直径大于旋转圆盘的直径。

5.根据权利要求1所述的基于空化水射流的船体清洗装置，其特征在于：所述喷射盘设有支撑架；所述支撑架的外端面设有若干个滚珠。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于空化水射流的船体清洗装置，其特征在于：还包括主控单元，所述主控单元与喷射器、管路系统连接，用于控制管路系统及整个装置的启停。

7.根据权利要求6所述的基于空化水射流的船体清洗装置，其特征在于：靠近壳体的入水口、出水口位置分别设有压力传感器，所述压力传感器与主控单元连接，用于监测所述旋转圆盘两侧的压力差。

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