基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头及集矿方法

摘要

本发明涉及一种基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头，包括一截面呈人字形的集矿腔体，集矿腔体上部为一对曲面壁，曲面壁分为两段曲面单元，两段曲面单元中间由柔性连接层相连；两段曲面单元之间由至少一液压缸连接，通过液压缸伸缩可调节位于下部的曲面壁的曲率；喷射筒体与供水管路连通；喷射筒体的轴端通过一连杆固定于一摆动机构上，摆动机构可带动喷射筒体小幅摆动，进而使得喷口的朝向与集矿腔体入口相适应。本发明射流角度姿态可根据沉积物矿料物理属性、工况参数变化进行调节。前后段曲面壁的曲率可调，让集矿流场中的速度、压力分布能在一定范围内进行调节和优化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于海底集矿的集矿头，具体来说，是一种基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头。

背景技术

深海采矿技术是一项针对蕴藏于海洋中、分布于深度区间为4000米及以上海底的金属矿产资源开发利用的技术。

目前的深海采矿系统主要由水面支持母船、水力提升中继舱、海底集矿车三个部分组成。其中海底集矿车是整个系统的核心，也是主要设计难点所在。在已有的海底集矿车系统中，主要采用机械式、水力式、复合式三种集矿方法，由于机械式集矿方法使用机械部件直接从海底铲取矿物，对海底扰动很大，因此主流集矿车的集矿头基本采用水力式集矿方法。当前的水力式集矿方法主要有双排水射流冲采和基于康达效应采集两种，前者使用高速水射流冲刷海底，从而将矿石冲起并收集，该方法同样会对海底造成较大的扰动，对海底脆弱的生态环境造成一定程度的破坏；而康达效应作为一种利用近集矿头壁面低压区，在不直接冲刷海床表面的情况下相对柔和地采集矿石颗粒的方法，具有其他采矿方式无可比拟的优点。该方法利用康达效应，也即贴壁射流具有沿着凸曲面壁运动的趋势，通过向凸曲面壁施加水射流，形成低压区，利用压力差产生提升力从而将矿石采集起来。虽然基于康达效应集矿头的概念很早就被提出，且已经过海试等实际验证切实可行，但当前基于康达效应原理设计的集矿头因缺乏对海底环境和具体工况参数变化的充分考虑，在实际作业时，仍存在一些不足之处。

现有集矿头具有以下不足之处：

1)现有集矿头的离底高度(集矿头底部与海床表面之间的距离)为主动式调节，通过液压机构来调节集矿头离底高度有一定延迟。在集矿车行进过程中车体较长，微小的纵倾都会引起集矿头离底高度较大的变化，并且海底地形也有一定起伏，现有技术很难满足集矿头在行进中始终贴靠海床表面。相关研究表明，集矿头离底高度会对矿粒的采集率以及对海床表面沉积物扰动产生显著的影响；

2)现有基于康达效应的集矿头方案中，普遍采用单曲面的结构形式，采集率有所不足；

3)现有基于康达效应的集矿头方案中，射流喷口是固定在集矿头上的，且射流角度固定，无法根据工况参数变化做出适应性调节。这样容易诱发水力采集过程对海底扰动过大等隐患以及采集率过低等问题；

4)现有集矿头方案中，曲面壁的曲率半径不可调节，这使得集矿头的形状无法根据工况参数进行适应性的变化，以致无法获取集矿效率与效益的最大化。

本发明采取以下技术方案：

一种基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头，包括一截面呈人字形的集矿腔体，所述集矿腔体上部为一对曲面壁7，所述曲面壁7分为两段曲面单元，两段曲面单元中间由柔性连接层6相连；两段曲面单元之间由至少一液压缸5连接，通过液压缸5伸缩可调节位于下部的所述曲面壁的曲率；所述人字形的集矿腔体两端各设置一喷射筒体，所述喷射筒体上设有与集矿腔体入口对应的长条形状或长条形布置的喷口；所述喷射筒体与供水管路连通；所述喷射筒体的轴端通过一连杆固定于一摆动机构上，所述摆动机构可带动喷射筒体小幅摆动，进而使得所述喷口的朝向与集矿腔体入口相适应。

优选的，所述摆动机构包括液压旋转机构8，所述液压旋转机构8通过其输出轴带动锥齿轮8a转动，通过锥齿轮8a带动齿轮8b转动，所述连杆与所述齿轮8b相对固定。

进一步的，一对液压旋转机构8设于集矿腔体的前后两侧，分别控制一侧的喷射筒体的摆动，各自的油管及信号线沿所述集矿腔体的前后两侧的方向向上延伸。

进一步的，位于上部的所述曲面壁7及集矿设备本体相对固定。

优选的，还包括泥橇板4，所述泥橇板4位于集矿腔体下方，并通过减震装置3与集矿腔体连接。

进一步的，所述减震装置3为沿泥橇板4长度方向设置的可多点调节的主动式减震调节装置和被动式减震调节装置；所述主动减震调节装置为刚性的伸缩部件，所述伸缩部件通过伸缩调节所在点位下泥橇板4上端与集矿腔体下表面之间的间距；伸缩调节后可锁定；所述被动式减震调节装置为弹簧组件，所述弹簧组件通过弹性伸缩调节所在点位下对于集矿腔体的支撑力；在主动减震调节装置后集矿头进入被动式调节模式，实现行进过程中的集矿头能够动态实时地贴靠海床表面，对海底地形变化进行自适应。

进一步的，所述泥橇板4具有一对，设置在集矿腔体左右两侧的下方。

进一步的，所述喷射筒体为横卧的圆筒形状；所述泥橇板4的前端呈锥形。

一种基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿方法，采用上述的射流姿态自调节水力式集矿头；当所处海底矿区洋流较小、对生态保全要求相对较低且矿粒埋没较深时，通过增大前后射流喷口与与水平线之间的夹角及曲面壁曲率，来增加矿石颗粒采集率；当矿区所处位置洋流较大、对海底生态保全要求较高、矿石颗埋没深度较低、海床表面沉积物松软易扩散时，通过减小前后喷口与水平线的射流夹角及曲面壁曲率，在保证采集率的情况下降低对海床附近扰动。

优选的，集矿头离底高度通过可调节支撑高度的减震装置先后实现主动式和被动式调节：通过主动减震调节装置主动式调节实现集矿头作业过程中的离底高度；在锁定主动减震调节装置后由被动式减震调节装置实施被动式调节。

本发明的有益效果在于：

1)集矿头吸口人字形双侧曲面壁射流设计：在吸口两侧的前后喷口均相切于一段用于产生表面射流的曲面壁，产生的双向对冲的近壁面射流可显著增加采集率，让矿粒更易被提升采集。由于康达效应产生的集矿流场具有近壁面处流速大，远壁面处流速小的特殊性，集矿头在采集过程中将具有以下两个优点：a)可通过控制集矿头离底高度、射流流量以及前后曲面壁的曲率，实现对不同大小矿粒的选择性采集，粒径较大的颗粒往往具有更高的采集效益成本，并且在基于康达效应集矿流场中大粒径矿粒会在更小的集矿射流流量下被采集；b)由于处于海床表面的细微沉积物颗粒相比于矿粒，与有较大流速分布的曲面壁距离更远，根据康达效应集矿流场中流速沿着垂向向下快速衰减的特征，远壁面近海床表面处流速与射流流速比值很小。在对粒径较大矿粒选择性采集(即一定程度降低射流流量，放弃通过增加流量来采集低采集效益成本的小粒径矿粒)后，射流流速的显著降低会进一步地减小对海床表面细微沉积物颗粒的扰动，把集矿过程中的泥沙扩散降到最低；

2)射流角度姿态可根据沉积物矿料物理属性、工况参数变化进行调节。前后段曲面壁的曲率可调，让集矿流场中的速度、压力分布能在一定范围内进行调节和优化，从而实现精细化采矿作业，实现高采集率低扰动采集。当所处海底矿区洋流较小对生态保全要求相对较低且矿粒埋没较深时，可通过增大前后喷口与与水平线之间的夹角及曲面壁曲率，来增加矿石颗粒采集率，当矿区所处位置洋流较大对海底生态保全要求较高、矿石颗埋没深度较低、海床表面沉积物松软易扩散时，可通过适当减小前后射流喷口与水平线的夹角及曲面壁曲率，在保证一定采集率的情况下对海床附近扰动降低到最小；

3)采用水力集矿管前后均布置曲面壁的“人字形”结构，形成前后两排射流，可显著提高集矿头的矿粒采集效率。具体原理如下：相比于只有集矿头单侧布置有附壁射流，前后两排附壁射流的益处在于(a)可以有效防止矿粒在较大水平速度及自身惯性作用下，因快速通过集矿头，在集矿流场下受到的垂向力作用时间过短而不被采集的情况。后排射流可以降低矿粒的水平移动速度，增加矿粒停留在基于康达效应集矿流场中的时间，使得矿粒的垂向受力时间得到增加，获取更大的垂向动量，从而提高矿粒产生垂向运动的几率；(b)由后排射流喷嘴提供的反向水射流可引起矿粒向上偏转进入集矿管，相比于单一通过康达效应的吸附作用将矿粒提升，后排射流的布置可显著提高集矿头的单位能耗采集量，因而矿粒采集成本效益得到显著的提高。

4)弹簧和泥橇板的设计，使得集矿头离底高度可通过可调节支撑高度的减震装置先后实现主动式和被动式调节：①通过主动式调节实现集矿头作业过程中的离底高度处在作业安全、采集率、环境扰动三者之间相平衡的最佳范围内；②在锁定减震装置支撑高度调节模块后集矿头进入被动式调节模式，实现行进过程中的集矿头能够动态实时地贴靠海床表面，对海底地形变化进行自适应。从而将集矿高度控制在很小范围缓慢变化，可防止由集矿头高度快速变化引起的降低矿粒采集率的集矿流场中大尺度漩涡区的产生，而稳定的集矿性能及采集率要求流场平稳。

附图说明

图1是本发明基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头的立体图。

图2是本发明基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头的侧视图。

图3是本发明基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头的俯视图。

图4是本发明基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头的正视图。

图5是较小射流角度、较小曲率曲面壁时的示意图。

图6是中等射流角度、小曲率曲面壁时的示意图。

图7是较大射流角度、较大曲率曲面壁时的示意图。

图中，1.后喷射筒体，2.前喷射筒体，3.减震装置，4.泥橇板，5.液压缸，6.柔性连接层，7.曲面壁，8.液压旋转机构，9.前端供水管路，10.前喷射筒体，8a.锥齿轮，8b.齿轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

参见图1-图4，一种基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿头，包括一截面呈人字形的集矿腔体，所述集矿腔体上部为一对曲面壁7，所述曲面壁7分为两段曲面单元，两段曲面单元中间由柔性连接层6相连；两段曲面单元之间由至少一液压缸5连接，通过液压缸5伸缩可调节位于下部的所述曲面壁的曲率；所述人字形的集矿腔体两端各设置一喷射筒体，所述喷射筒体上设有与集矿腔体入口对应的长条形状或长条形布置的喷口；所述喷射筒体与供水管路连通；所述喷射筒体的轴端通过一连杆固定于一摆动机构上，所述摆动机构可带动喷射筒体小幅摆动，进而使得所述喷口的朝向与集矿腔体入口相适应。

参见图1，所述摆动机构包括液压旋转机构8，所述液压旋转机构8通过其输出轴带动锥齿轮8a转动，通过锥齿轮8a带动齿轮8b转动，所述连杆与所述齿轮8b相对固定。

参见图1，一对液压旋转机构8设于集矿腔体的前后两侧，分别控制一侧的喷射筒体的摆动，各自的油管及信号线沿所述集矿腔体的前后两侧的方向向上延伸。

在此实施例中，位于上部的所述曲面壁7及集矿设备本体相对固定。

在此实施例中，参见图1，还包括泥橇板4，所述泥橇板4位于集矿腔体下方，并通过减震装置3与集矿腔体连接。

在此实施例中，所述减震装置3为沿泥橇板4长度方向设置的可多点调节的主动式减震调节装置和被动式减震调节装置；所述主动减震调节装置为刚性的伸缩部件，所述伸缩部件通过伸缩调节所在点位下泥橇板4上端与集矿腔体下表面之间的间距；伸缩调节后可锁定；所述被动式减震调节装置为弹簧组件，所述弹簧组件通过弹性伸缩调节所在点位下对于集矿腔体的支撑力；在主动减震调节装置后集矿头进入被动式调节模式，实现行进过程中的集矿头能够动态实时地贴靠海床表面，对海底地形变化进行自适应。

在此实施例中，参见图3，所述泥橇板4具有一对，设置在集矿腔体左右两侧的下方。

参见图1，所述喷射筒体为横卧的圆筒形状；所述泥橇板4的前端呈锥形。

一种基于康达效应的射流姿态自调节水力式集矿方法，采用上述的射流姿态自调节水力式集矿头；当所处海底矿区洋流较小、对生态保全要求相对较低且矿粒埋没较深时，通过增大前后喷口与与水平线之间的夹角及曲面壁曲率，来增加矿石颗粒采集率；当矿区所处位置洋流较大、对海底生态保全要求较高、矿石颗埋没深度较低、海床表面沉积物松软易扩散时，通过减小前后喷口与水平线的射流夹角及曲面壁曲率，在保证采集率的情况下降低对海床附近扰动。

集矿头离底高度通过可调节支撑高度的减震装置先后实现主动式和被动式调节：通过主动减震调节装置主动式调节实现集矿头作业过程中的离底高度；在锁定主动减震调节装置后由被动式减震调节装置实施被动式调节。

参见图5-7，集矿头的曲面壁曲率可以根据具体作业工况和作业环境进行实时调节，在结核矿粒较小或海泥较为松软的情况下，采用小曲率模式来减弱康达效应的作用，防止过大的泥沙扰动；当颗粒较大，需要更大的提升力时，采用大曲率曲面壁增强康达效应，使得颗粒能够被有效地提升收集。具体结构组成如图1-4所示。

本申请围绕曲面壁为核心进行设计，具体继续参见图5-7，在水力集矿过程中，射流会沿着曲面壁下表面流动，前端供水管路向前喷射滚筒10提供流量，射流由前喷射滚筒10经过曲面壁7，在康达效应的作用下贴曲壁运动。由于靠近曲壁流速高，而集矿头接近海底的区域流速低，在流速差异导致的压力差作用下，矿石受到向上的提升力作用。当射流流速足够大时，产生的提升力将矿石颗粒提起并随流场收集。本专利方案采用双侧曲面壁设计，这与现有的集矿头设计有显著的不同。这是为了在集矿管下方诱导形成双向对冲区，这种设计可以有效防止矿石颗粒在被前喷口射流水流裹挟下滚落到集矿头后方而不被采集到集矿管内，从而进一步提高了集矿稳定性和矿粒采集率。相比于现有技术方案，本集矿头的前后排射流口的射流角度可随液压旋转机构8而改变，曲面壁可根据需要通过液压缸5带动柔性连接层6来获得不同的曲率。

为了使集矿头具备针对各种工况参数(比如矿粒形状、大小、埋没深度、丰度等信息)的自适应能力，设计了由可调节支撑高度的减震装置3连接的泥橇板4。在集矿头离底高度调节方面，首先会根据不同矿区位置的沉积物松软程度、矿粒大小，对可调节支撑高度的减震装置3进行主动式地调节支撑高度，让离底高度控制在满足作业安全性要求、获得采集效率与环境扰动之间平衡的范围。当根据沉积物矿粒物理参数确定最佳离底高度后，该装置将锁定高度调节模块，在弹簧自身具有一定的弹性刚度下实现有减震效果的小范围离地高度变化，使得集矿头的离底高度可以随地形变化而被动地做微小变化，从而达到被动式适应动态贴靠海床表面的目的。减震是为了让集矿头曲面壁与海床表面之间的高度变化相对柔和，从而让集矿流场相对稳定，不会因快速高度起伏形成大尺度漩涡降低矿石颗粒采集效果。另外，泥橇板前端为锥形结构，可以防止矿粒在集矿头前堆积或被泥橇板压入并埋没于深层沉积物内而导致采集率降低。

后喷射滚筒1上的后喷口为平面矩形截面，喷口固定在一圆柱形腔体上，后端供水管路2向圆柱形腔体供水，从而形成平面射流。圆柱形腔体通过连杆，与集矿头主体连接，可根据需要调节后喷口位置以及喷口方向；相似地，前端供水管路9为前喷射滚筒10上的前喷口提供流量，前喷口可在液压旋转机构8的控制下，调整位置和角度，前喷口的射流作用于曲面壁是康达效应发生的最主要原因；液压缸5可根据具体的工况需要调整行程，从而调节柔性连接层6，使曲面壁7的曲率半径产生局部改变，从而根据需要提供更大或更小的提升力；泥橇板4通过三联可调节支撑高度的减震装置3与主体连接，可调节支撑高度的减震装置3具有一定的可变长度和弹性刚度，使泥橇板4能基本保持与海底平行，当海底地形发生变化时，泥橇板4可以在一定的范围内平移或旋转。

总体来说，本发明主要基于流体力学中的康达效应设计具有曲面壁结构的水力式集矿头，通过对集矿头离底高度、集矿头双曲面壁曲率变化调节以及集矿流量的控制，来增强集矿头对地形、矿粒丰度、矿粒粒径大小等集矿环境参数变化的适应性。并通过采用对较大粒径进行选择性采集的策略，显著提高采集成本效益，并将水力集矿过程对海底沉积物的扰动降低到最小。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。