一种深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移联动装置系统

摘要

本发明公开了一种深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移联动装置系统，所述装置系统包括自激吸气式脉冲射流装置子系统、大型压力水槽装置子系统。其中自激吸气式脉冲射流装置子系统，由自激吸气式脉冲射流装置、转角控制装置、升降控制装置和移动控制装置组成。压力水槽装置子系统可以实现不同水深环境的模拟。该系统实现了自激吸气式脉冲射流装置不同水深下泥沙气动起动、悬浮和输移距离的观察和测试，在多泥沙河道和水库库底泥沙治理方面有着广阔的应用前景，为治理河道泥沙、控制和减少水库泥沙淤积提供设备依据。

说明书

技术领域

本发明涉及水下射流技术用于泥沙治理领域，特别是涉及一种深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移联动装置系统。

背景技术

我国很多河流含沙量较大，所建水库泥沙淤积已经严重影响到水库正常运行，如何控制和减少水库泥沙淤积，是水利工作者必须解决的一个难题，泥沙处理方法很多，包括空库排沙、异重流排沙、机械清淤和管道排沙技术等。近几年，水下射流技术在河道和水库泥沙治理中得到了应用，射流可以将河底和水库库底泥沙起动、悬浮，从而加大水流输沙量，改善河道高程和控制水库淤积，同时气动冲淤法也是一种治沙和输沙的新思路和新方法，它是将气体加入到水下泥沙中，形成气、水和沙的三相流动，利用气体上升浮力来加强水体湍动，将泥沙上扬速度提高，从而提升水流的挟沙和输沙能力。如果能够将气动冲淤法和水下射流技术相结合，同时利用装置射流冲击力和气体的悬浮作用，必将进一步提高水流的输沙量。

现有技术中已经公开了一种自激吸气式脉冲射流装置，该装置可以在没有任何外驱的作用下将气体自吸到装置内部，并且利用射流将气体加入到深水泥沙中，不仅射流本身而且气体也可以对泥沙进行扰动并借助水流将其挟带冲走，从而提高了挟沙和输水的效率。

自激吸气式脉冲射流装置对水下泥沙的冲涮效果和诸多因素有关，如装置冲击力、水深、淤沙厚度、射流速度、射流角度、吸气量等，而装置冲击力和吸气量又与装置的结构参数有关，因此要了解这些因素对泥沙起动、悬浮和输移的影响，必须借助水下装置系统来实现。目前国内外研究输沙的装置多用于明渠流或河道中，而且多为开敞式水槽，应用的水深很浅（5m以下），用于深水条件下观察和测试以射流为核心的泥沙气动起动、悬浮和输移的装置国内外尚未见相关报道。因此，如何设计一种以自激吸气式脉冲射流装置为核心的装置系统，能够实现水下泥沙气动起动、悬浮和输移的观察和测试，是目前本领域技术人员必须解决的一个问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移联动装置系统，该装置系统可以实现自激吸气式脉冲射流装置在深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移效果观察和测试。

本发明所采用的技术方案是：

本发明提供了一种深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移联动装置系统，包括自激吸气式脉冲射流装置子系统和大型压力水槽装置子系统两个部分，其中自激吸气式脉冲射流装置位于大型压力水槽内部，通过升降控制装置和移动控制装置与大型压力水槽装置相连接，可以对压力水槽底部的泥沙进行气动起动、悬浮和输移，观察和测试泥沙悬浮高度和输移距离。

本发明的自激吸气式脉冲射流装置子系统由自激吸气式脉冲射流装置、转角调节装置、升降控制装置、移动控制装置以及气体涡轮流量计组成。

自激吸气式脉冲射流装置采用多分岔结构，装置数量根据压力水槽的宽度和喷射扩散宽度共同确定，为了保证分水均匀，装置的间距是相同的，装置结构由配水管和多个支管组成，管路采用无缝钢管材料，配水管长度根据装置数量确定，支管长度在考虑大型压力水槽的直径以及压力水槽底部泥沙厚度的基础上共同确定，自激吸气式脉冲射流装置与支管采用法兰盘连接，支管焊接在配水管上，配水管和支管壁厚必须考虑承压要求，配水管直径要大于支管直径。

自激吸气式脉冲射流装置子系统转角调节装置用于控制自激吸气式脉冲射流装置与压力槽体底部泥沙的喷射角度，喷射角度对泥沙起动、悬浮和输移效果影响很大。转角调节装置采用两个同厚度和直径的圆形钢板制造而成，其中一个一侧与配水管的一端焊接在一起，一侧与另一个圆形钢板装配在一起，钢板直径大于配水管的直径，两个钢板沿周向以某一度数均匀布置圆孔，圆孔位置位于钢板的外侧，采用控制杆来调节喷射角度，角度范围在0-90⁰之间。

自激吸气式脉冲射流装置子系统升降控制装置用来调整自激吸气式脉冲射流装置的喷射距离，采用钢板与螺杆组成，通过上下移动螺杆来控制装置自激吸气式脉冲射流装置的升降高度，螺杆长度与钢板长度必须根据喷射距离来确定，钢板上标有刻度，用于控制升降高度，当喷射距离确定好之后，钢板与螺杆之间通过螺丝固定。

自激吸气式脉冲射流装置子系统移动控制装置由滚轮、钢架和水下电机组成，主要用于控制自激吸气式脉冲射流装置的移动速度和移动距离，钢架用于承受自激吸气式脉冲射流装置、升降控制装置以及转角调节装置的重量，其两端通过滚轮放在压力水槽轨道上，移动速度和移动距离对装置的泥沙气动起动、悬浮和输移效果影响较大，可以通过水下电机来控制。

自激吸气式脉冲射流装置子系统气体涡轮流量计外接在供气孔口上，主要用来测量自激吸气式脉冲射流装置的吸气量，其最优量程必须保证吸气量的准确性。

本发明的压力水槽装置子系统包括大型压力水槽筒体、人孔、封头、供水孔口、供气孔口、电机线接口、安全阀接口、压力表接口、视镜、注水孔口、排沙孔口、支座、排气孔口、轨道和悬壁梁等组成，其中泥沙平铺在压力水槽的底部，通过档板来固定。

压力水槽装置子系统压力水槽筒体采用钢材料（铸铁）加工，用来承载水体和泥沙，为了保证受压均匀及其密封性，压力水槽两侧封头采用半椭圆球形并焊接在筒体两侧，中间部分采用长圆柱形设计，其长度和直径结合自激吸气式脉冲射流装置的移动距离和承压能力综合考虑，压力水槽能够承受0.1MPa-0.8MPa的水体围压。

压力水槽装置子系统的人孔沿槽体从左向右依次布置，其数量根据槽体长度而定，其直径要求满足进人要求，人孔的连接面形式为突面，在系统运行时通过螺栓和突面将人孔盖固定在筒体上，以保证筒体密闭。

压力水槽装置子系统的安全阀接口和压力表接口布置在压力水槽筒体的上侧，安全阀接口为突面且外接安全阀，安全阀主要用于保证压力水槽的安全运行，当压力超过其承受能力时，自动打开并泄压，安全阀的规格在0.1MPa-0.8Mpa之间，安全阀通过螺栓固定在筒体上，安全阀通过法兰与管道连接；压力表接口在槽体左端和右端各布置一个，压力表接口为内螺纹接口，接口通过三通和压力表、压力传感器相连接，连接压力表后用于监控和测量压力水槽的围压。

压力水槽装置子系统供水孔口通过管道与加压泵相连接，用于提供自激吸气式脉冲射流装置所需要的流量和工作压力，与压力水槽连接面形式为突面，通过法兰与管道相连接。

压力水槽装置子系统供气孔口通过管路外接气体涡轮流量计，在内部通过吸气管与自激吸气式脉冲射流装置相连接，当装置运行时，气体会通过供气孔口自吸进入吸气管，然后进入自激吸气式脉冲射流装置与水流混合形成水气两相流。

压力水槽装置子系统的视镜用于观察水体和泥沙布置情况，当联动装置系统运行时，观察自激吸气式脉冲射流装置的射流冲击下起动、悬浮和输移的情况，其数量根据压力水槽的长度而定，视镜选用钢化玻璃，钢化玻璃既满足强度要求又可以观察筒体内部情况，钢化玻璃处于铁环和筒体突面之间，通过螺栓将铁环和筒体突面固定在压力水槽筒体上。

压力水槽装置子系统注水孔口位于压力水槽的下部，数量1个，通过管道与工作泵连接，用来提供压力水槽内部水体，与压力水槽连接面形式为突面，通过法兰与管道相连接。

压力水槽装置子系统的排沙孔口位于压力水槽下部，沿槽体长度依次布置，其数量根据槽体长度而定，排沙孔口在联动装置系统运行过程中可以调节压力水槽的围压，在运行结束后用以排除压力水槽内的泥沙，与压力水槽连接面形式均为突面，通过法兰与管道相连接。

压力水槽装置子系统的排气孔口位于压力水槽上部最左侧，在联动装置系统运行过程中排出自激吸气式脉冲射流装置自吸气进入压力水槽内部的气体，在连接面形式为突面，通过法兰与管道相连接。

压力水槽装置子系统的电机线接口为内螺纹接口，水下电机的电线通过接口与外部电源连接。

压力水槽装置子系统的轨道采用钢板制作而成，轨道依靠悬臂式钢板来支撑，悬臂式钢板对称焊接在筒体内部上侧，钢板焊接在压力水槽壁上，钢板厚度必须能够承受自激脉冲射流装置、升降控制装置和移动控制装置。

压力水槽装置子系统的挡板沿筒体周向对称布置两个，并且挡板可以移动，挡板可以保证在注水时维持筒体内布置的泥沙的形态，还可以控制泥沙布置量。

压力水槽装置子系统的支座沿筒体布置，其数量根据压力水槽装置的长度来确定，支座采用钢板加工而成并焊接在压力水槽筒体上，在平整地面上开挖地基并在地基上压上钢板，支座焊接在钢板上。

附图说明

图1本发明的联动装置系统的整体剖面图；

图2为本发明的自激吸气式脉冲射流装置子系统及其升降控制装置布置图；

图3为本发明的自激吸气式脉冲射流装置移动控制装置布置图；

图4为本发明的自激吸气式脉冲射流装置不同喷射角度。

图中标记为:

1-支座；2-筒体；3-封头；4-人孔；5-视镜；6-排气孔口；7-供水孔口；8-供气孔口；9-安全阀接口；10-压力表接口；11-注水孔口；12-排沙孔口；13-电机线接口；14-转角调节装置；15-升降控制装置；16-移动装置；17-自激吸气式脉冲射流装置；18-配水管；19-支管；20-法兰；21-圆形钢板；22-螺丝；23-钢板；24-螺杆；25-进水管；26-滑轮；27-轨道；28-悬壁梁；29-泥沙；30-钢板圆孔；31-控制杆；32-电机；33-钢架；34-挡板；35-气体涡轮流量计。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，以下将结合具体实施例（图1-图4）作进一步的说明：

本发明的核心是一种适用于深水条件下气动泥沙起动、悬浮和输移联动装置系统（图1），它包括自激吸气式脉冲射流装置子系统和大型压力水槽装置子系统，自激吸气式脉冲射流装置子系统位于大型压力水槽的内部。自激吸气式脉冲射流装置子系统包括自激吸气式脉冲射流装置17、转角控制装置14、升降控制装置15和移动装置16。自激吸气式脉冲射流装置17位于大型压力水槽装置筒体2内部，两者通过升降控制装置15和移动装置16相结合。自激吸气式脉冲射流装置通过支管19与配水管道18连接在一起，配水管道18与进水管25连接，为了便于向前移动，进水管采用黑塑胶软管，进水管25与加压泵连接。自激吸气式脉冲射流装置17在本实施例中数量为3个，焊接在配水管道18上，装置间距相等。转角控制装置14焊接在配水管道18的一侧，如果两个钢板圆孔的夹角为15度，通过控制杆31和钢板圆孔30可以调节90⁰、75⁰、60⁰和45⁰四个喷射角度，见图4。升降控制装置15焊接在配水管道18的一侧，通过钢板23上的刻度来调整自激吸气式脉冲射流装置的喷射距离。移动装置16与升降控制装置15焊接在一起，可以带动自激吸气式脉冲射流装置通过滚轮26沿轨道27向前移动，控制移动速度由水下电机32来控制。

大型压力水槽装置子系统主要由大型压力水槽筒体2、人孔4、供水孔口7、供气孔口8、电机线接口13、安全阀接口9、压力表接口10、视镜5、注水孔口11、排沙孔口12、支座1、排气孔口6、轨道27和悬壁梁28等组成，其中泥沙29平铺在压力水槽的底部，通过档板34来固定。其中，排气孔口6、人孔4、供水孔口7、供气孔口8、安全阀接口9、压力表接口10位于压力水槽筒体2的上部，视镜5对称分布在压力水槽筒体2两侧，注水孔口11、排沙孔口12位于压力水槽筒体2的下部，轨道7和悬壁梁28位于压力水槽筒体2的内部，压力水槽筒体2焊接在支座1上，支座1固定在地面地基上。

采用本发明，首先在压力水槽筒体2内布置一定厚度的泥沙29，同时将排气孔口6、气体涡轮流量计35和排沙孔口12的阀门关闭，打开工作泵，通过注水孔口11将压力水槽2内部注满水，然后开启加压泵，打开排沙孔口12，通过观测压力表迅速调节工作压力，同时调节排沙孔口12开度控制压力水槽2的围压。水流经进水管25流入配水管道18，然后通过支管19进入到自激吸气式脉冲射流装置17，待工作压力和围压稳定之后，开启气体涡轮流量计35，气体进入供气孔口8经过吸气管进入自激吸气式脉冲射流装置17，同时通过气体涡轮流量计35可以观察、记录吸气量的大小，同时开启水下电机32驱动自激吸气式脉冲射装置17向前移动。气体经自激吸气式脉冲射流装置17与水流充分混合后，形成气水两相流，冲击到压力水槽2底部布置的泥沙29中，对泥沙进行气动起动、悬浮和输移，透过视镜5来观察和测试自激吸气式脉冲射流装置17的冲坑形态、泥沙悬浮高度等冲沙效果。

深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移联动装置系统工作过程中，可以通过配水管18一侧的转角控制装置14来调整自激吸气式脉冲射流装置17的喷射角度，通过视镜5来观察不同喷射角度下泥沙29的起动、悬浮和输移效果。

深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移联动装置系统工作过程中，可以通过配水管18一侧的升降控制装置15来调整自激吸气式脉冲射流装置17的喷射距离，通过视镜5来观察不同喷射距离下泥沙29的起动、悬浮和输移效果。

深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移联动装置系统工作过程中，通过移动控制装置16，控制自激吸气式脉冲射流装置17在轨道27上的移动速度和移动距离，通过视镜5来观察自激吸气式脉冲射流装置17移动速度对泥沙29的起动、悬浮和输移效果的影响。

深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移联动装置系统工作过程中，可以通过调节排沙孔口12的开度来控制压力水槽2的围压大小，通过气体涡轮流量计35记录不同围压的吸气量，同时在变换围压时，需要通过排气孔口6将气体排出压力水槽。通过视镜5来观察自激吸气式脉冲射流装置17在不同围压下泥沙29的起动、悬浮和输移效果。

深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移联动装置系统工作过程中，可以通过关闭和开启气体涡轮流量计35，通过视镜5观察来自激吸气式脉冲射流装置17吸气和不吸气两种条件下泥沙29的起动、悬浮和输移效果。

深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移联动装置系统试验结束时，先完全打开排沙孔口12完全泄压以保证安全，同时关闭气体涡轮流量计35以防压力水槽2中水流回流损坏测试仪器，然后关闭加压泵。

深水条件下泥沙气动起动、悬浮和输移联动装置系统试验结束时，采用测量设备对自激吸气式脉冲射流装置17对泥沙冲坑深度、冲坑范围和移动距离等进行测量。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。