一种环形脉冲水射流碎矿装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种环形脉冲水射流碎矿装置，包括：进水管道；自激腔室，与进水管道通过上游喷嘴连通，自激腔室内呈倒置的凹形，使上游喷嘴处和自激腔室底部的压力脉动互为反相；传递腔室，与自激腔室通过下游喷嘴连通，传递腔室的底部均匀分布有多个相互独立的传递入口；传递管道，呈圆锥形分布，并与传递入口连通。本实用新型提供的环形脉冲水射流碎矿装置，采用自激振荡的脉冲射流设计，可以对物体造成瞬间的破坏，脉冲射流的这种瞬间打击力是随时间周期性变化的，可以产生更好的切割和破坏效果，比一般的连续射流更有效率，更加经济与节能。
【专利说明】
一种环形脉冲水射流碎矿装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及技术领域，特别涉及一种环形脉冲水射流碎矿装置。
【背景技术】
[0002]海洋占地球表面积的约71%，是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在资源基地。除海洋油气资源和海滨矿砂外，海底目前已知有商业开采价值的还有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等金属矿产资源。这些矿物中富含镍、钴、铜、锰及金、银金属等，总储量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍。随着人类对金属资源需求的不断增加和陆地矿产资源的不断枯竭，海底矿产资源必将成为人类21世纪的接替资源。由于这些海底矿产资源赋存水深大都在数千米以上，因此通常也被称为深海矿产资源。显然，深海矿产资源的开发必须依赖深海采矿装备进行。
[0003]随着现代科学技术的进步，特别是海洋油气开发技术的发展，为深海矿产资源的开发提供了大量可以利用和借鉴的相关技术和装备，使得深海矿产资源开发的技术可行性不断提高，深海矿产资源开发的技术和装备也得到不断发展。目前，多金属矿物结核的采集方法包括水力式、机械式和水力-机械复合等多种。水力式的工作原理是利用高压水射流将结核从海底吹起并利用水流将其收集到海底采矿车上;机械式的工作原理是利用旋转链齿集矿头将结核从海底挖起并输送至海底采矿车上;机械-水力复合式的工作原理是利用水力将结核吹起，利用机械链板将结核运送到海底采矿车上。但对于工业应用而言，一个好的结核采集机构设计除了高的采集率、低的能耗外，还应对海底沉积物的扰动尽可能小，以尽可能减小对海底生态系统的破坏。
[0004]当今水射流技术以其效率高、能耗少、对环境友好等特点，日益受到人们的重视。由于缺乏足够的试验和应用验证，哪种采集方式更好尚无定论，但根据以往的海试结果表明，水力式采集方式相对机械式具有更高的采集效率。因此，水射流技术无疑将在未来的深海集矿中扮演主角。
[0005]水射流技术有多种不同的技术应用，其中包括自激振荡脉冲水射流。自激振荡脉冲水射流是利用水声学、流体动力学、流体共振和流体弹性等，通过自激励即不需要外加激励源，将连续射流转变为振荡脉冲射流。国外有关脉冲射流的研究有很多，但是目前尚无将自激振荡脉冲水射流应用于深海采矿的实例。
[0006]同时，目前市场上已有的水射流装置均是单个或多个喷口喷水的设计，这样的设计固然能对位于喷口喷水直线上的矿物有非常良好的破碎效果，但是其破碎面积难免较小，进而影响其工作效率。多个喷口喷水的设计虽然较单个喷口有更大的破碎面积，但是总体看来其破碎面积仍然较小。目前也有设计利用设置喷口的喷射角度，利用多个喷口产生的反作用力使得水射流装置旋转，来达到更大破碎面积的结果。但是由于水射流装置旋转将消耗动能，故而喷口出水的动能不是最大，破碎效果因此不能够达到最优。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的目的在于提供一种环形脉冲水射流碎矿装置，以解决目前水射流装置破碎面积较小、破碎效果不佳的问题。
[0008]为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是:提供一种环形脉冲水射流碎矿装置，包括:进水管道；自激腔室，与所述进水管道通过上游喷嘴连通，所述自激腔室内呈倒置的凹形，使所述上游喷嘴处和所述自激腔室底部的压力脉动互为反相;传递腔室，与所述自激腔室通过下游喷嘴连通，所述传递腔室的底部均匀分布有多个相互独立的传递入口 ；传递管道，呈圆锥形分布，并与所述传递入口连通。
[0009]进一步地，所述自激腔室内顶端圆锥角的范围为30°至60°。
[0010]进一步地，所述上游喷嘴直径与下游喷嘴直径的比值为I?2。
[0011]进一步地，所述上游喷嘴与下游喷嘴之间的距离与所述上游喷嘴直径的比值为2.5?3.5ο
[0012]进一步地，所述进水管道的进口直径比出口直径大。
[0013]本实用新型提供的环形脉冲水射流碎矿装置，采用了自激振荡的脉冲射流设计，这种脉冲射流对物的打击力是随时间不断的发生变化，而且存在最大的打击力，可以对物体造成瞬间的破坏，脉冲射流的这种瞬间打击力是随时间周期性变化的，可以产生更好的切割和破坏效果，比一般的连续射流更有效率，更加经济与节能;本实用新型提供的环形脉冲水射流碎矿装置使用圆缝形终喷口，使得喷出的水射流的垂直截面呈线状而非点状，从而既能够产生更大的破碎面积，同时由于其喷口设计中心对称，使产生的使得水射流装置旋转的反作用力相互抵消，从而不会因为旋转消耗动能，使得水射流能够具有更大的初动能，具有更好的破碎效果，水射流装置也将具有更高的工作效率。
【附图说明】
[0014]下面结合附图对实用新型作进一步说明:
[0015]图1为本实用新型实施例提供的环形脉冲水射流碎矿装置的剖面结构示意图；
[0016]图2为本实用新型实施例提供的环形脉冲水射流碎矿装置部分放大的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种环形脉冲水射流碎矿装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
[0018]本实用新型的核心思想在于，本实用新型提供的环形脉冲水射流碎矿装置，采用了自激振荡的脉冲射流设计，这种脉冲射流对物的打击力是随时间不断的发生变化，而且存在最大的打击力，可以对物体造成瞬间的破坏，脉冲射流的这种瞬间打击力是随时间周期性变化的，可以产生更好的切割和破坏效果，比一般的连续射流更有效率，更加经济与节能;本实用新型提供的环形脉冲水射流碎矿装置使用圆缝形终喷口，使得喷出的水射流的垂直截面呈线状而非点状，从而既能够产生更大的破碎面积，同时由于其喷口设计中心对称，使产生的使得水射流装置旋转的反作用力相互抵消，从而不会因为旋转消耗动能，使得水射流能够具有更大的初动能，具有更好的破碎效果，水射流装置也将具有更高的工作效率。
[0019]图1为本实用新型实施例提供的环形脉冲水射流碎矿装置的剖面结构示意图；图2为本实用新型实施例提供的环形脉冲水射流碎矿装置部分放大的剖面结构示意图。参照图1以及图2，提供一种环形脉冲水射流碎矿装置，包括:进水管道11;自激腔室12，与所述进水管道11通过上游喷嘴13连通，所述自激腔室12内呈倒置的凹形，使所述上游喷嘴13处和所述自激腔室12底部的压力脉动互为反相;传递腔室14，与所述自激腔室12通过下游喷嘴15连通，所述传递腔室14的底部均匀分布有多个相互独立的传递入口 16;传递管道17，呈圆锥形分布，并与所述传递入口 16连通。
[0020]在本实用新型实施例中，所述自激腔室12内顶端圆锥角的范围为30°至60°。所述进水管道11的进口直径比出口直径大，以方便进水口进水。
[0021]进一步地，设置所述上游喷嘴13直径与下游喷嘴15直径的比值为I?2，以及所述上游喷嘴13与下游喷嘴15之间的距离与所述上游喷嘴13直径的比值为2.5?3.5，以使高速水射流中一定频率范围内的涡量扰动得到放大，在剪切层中形成一连串离散涡环，当离散涡环到达呈倒置凹形的自激腔室12内底部并与之相互作用时，在倒置凹形底部产生不同频率的压力扰动波，其中一部分压力扰动波将以声速向上游喷嘴13传播，从而诱发新的涡量脉动，若自激腔室12形状设置合理，上游喷嘴13和倒置凹形底部处的压力脉动将相互为反相，就会形成涡量扰动-放大-新的涡量脉动产生的循环过程;另一部分压力扰动波，将横向振荡往射流核心反射，若自激腔室形状设置合理，压力扰动波频率与腔室固有频率接近时，将会引起谐振，使得横向振荡波自激励放大，导致振荡腔内流体阻抗的脉动变化。在这两部分压力扰动波的共同作用下，压力和流量将会产生阶跃性变化，就会形成强烈的自激振荡脉冲水射流。
[0022]利用本实用新型实施例提供的环形脉冲水射流碎矿装置进行碎矿时:高速水射流通过进水管道从上游喷嘴处进入自激腔室;在自激腔室中，高速水射流向下游喷嘴流动时，形成自激振荡脉冲水射流;所述自激振荡脉冲水射流通过所述下游喷嘴进入传递腔室，并在传递腔室内通过传递入口进入传递管道，并从所述传递管道的末端呈线状喷出。在本实用新型实施例中，所述传递管道17的末端为圆缝型终喷口，既能够产生更大的破碎面积，同时由于其喷口设计中心对称，使产生的水射流装置旋转的反作用力相互抵消，从而不会因为旋转消耗动能，使得水射流能够具有更大的初动能，将具有更好的破碎效果。
[0023]脉冲射流产生的方式很多，主要包括以下四种:阻断式脉冲射流、自激振脉冲射流、脉冲水炮和电液动脉冲射流。其中，自激振荡脉冲射流是利用流体动力学、流体共振、流体弹性学和水声学等原理而发展起来的一种新型高效脉冲射流，通过自激即不需要外加激励源，靠流体本身在特殊的流体结构中产生自激振荡，将连续水射流变为振荡脉冲水射流。这样的方法能够高效地产生脉冲水射流，更具经济价值。本实用新型实施例正是使用自激振荡的方法产生脉冲射流，它是一种非连续射流，这种间断射流类似于子弹射出。脉冲射流不同于连续射流，连续射流的流动状态不随时间变化而且是连续流动，切割或者冲击物的时候打击力是连续且保持一致。而脉冲射流对物的打击力是随时间不断的发生变化，而且存在最大的打击力，可以对物体造成瞬间的破坏。脉冲射流的这种瞬间打击力是随时间周期性变化的，可以产生更好的切割和破坏效果。从而比一般的连续射流更有效率，更加经济与节能。
[0024]目前常见的单个或多个喷口喷水的设计，其垂直截面为单点状或多点状。单个喷口的设计固然能对位于喷口喷水直线上的矿物有非常良好的破碎效果，但是其破碎面积难免较小，进而影响其整体的工作效率。多个喷口喷水的设计虽然较单个喷口有更大的破碎面积，但是总体看来其破碎面积仍然较小。设置喷口的喷射角度，利用多个喷口产生的反作用力使得水射流装置旋转，虽然可以达到更大破碎面积的结果，但是水射流装置的旋转将消耗动能，故而喷口出水的动能不是最大，破碎效果因此不能够达到最优。本实用新型实施例采用的圆缝形终喷口，既能够产生更大的破碎面积，同时由于其喷口设计中心对称，使产生的水射流装置旋转的反作用力相互抵消，从而不会因为旋转消耗动能，使得水射流能够具有更大的初动能，将具有更好的破碎效果。水射流装置也将具有更高的工作效率。
[0025]与现有的机械式集矿技术相比，本实用新型实施例提供的环形脉冲水射流碎矿方法不仅效率更高，而且对环境更加友好。
[0026]显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种环形脉冲水射流碎矿装置，其特征在于，包括: 进水管道； 自激腔室，与所述进水管道通过上游喷嘴连通，所述自激腔室内呈倒置的凹形，使所述上游喷嘴处和所述自激腔室底部的压力脉动互为反相； 传递腔室，与所述自激腔室通过下游喷嘴连通，所述传递腔室的底部均匀分布有多个相互独立的传递入口； 传递管道，呈圆锥形分布，并与所述传递入口连通。2.如权利要求1所述的环形脉冲水射流碎矿装置，其特征在于，所述自激腔室内顶端圆锥角的范围为30°至60°。3.如权利要求1所述的环形脉冲水射流碎矿装置，其特征在于，所述上游喷嘴直径与下游喷嘴直径的比值为I?2。4.如权利要求1所述的环形脉冲水射流碎矿装置，其特征在于，所述上游喷嘴与下游喷嘴之间的距离与所述上游喷嘴直径的比值为2.5?3.5。5.如权利要求1所述的环形脉冲水射流碎矿装置，其特征在于，所述进水管道的进口直径比出口直径大。
【文档编号】E21C45/04GK205422718SQ201620292401
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】赵国成, 陈芝燚, 肖龙飞, 张笑通, 姚昊, 王志强, 张康
【申请人】上海交通大学