г. Москва

Сретенский бульвар, д. 6

стр. 1, офис 4

8-905-014-0095

sapropel-nn@mail.ru

2.3. Применение гидрорыхлителей при разработке

В настоящее время подводную разработку грунта с применением гидравлических рыхлителей используют преимущественно на слабо уплотненных песчаных и песчано-гравийных грунтах.

Сущность этого способа разработки заключается в том, что первичное отделение грунта от забоя осуществляется гидравлическим рыхлителем, а всасывание водногрунтовой смеси — всасывающим наконечником.

Такой способ разработки подводных грунтов ведут, как правило, по схеме обрушения, как при свободном всасывании (рис. 2.5).

Гидравлический рыхлитель

Рис. 2.5. Гидравлический рыхлитель
1 — насадка гидрорыхлителя, 2 — наконечник всасывающей трубы

Известны два подводных способа рыхления грунта — поверхностный и глубинный. Обычно применяют поверхностный размыв грунта, используя энергию напорной затопленной струи воды гидравлического рыхлителя. Такой вид размыва наблюдается, когда струя гидравлического рыхлителя расположена на некотором расстоянии от массива грунта и, прежде чем воздействовать на грунт, она должна «пробить» некоторый слой воды.

Для выполнения расчетов и подбора гидрорыхлителей для серийных земснарядов необходимо обратиться к рассмотрению вопросов затопленных струй.

Затопленная струя, вытекающая из насадки в среду однородной жидкости, постепенно расширяется и на некотором расстоянии от насадки рассеивается (рис. 2.6).

 Участки затопленной струи

Рис. 2.6. Участки затопленной струи

 

Рассеивание струи обусловливается действием турбулентного обмена между струей и окружающей ее жидкостью. Причиной зарождения турбулентных вихрей между вытекающей струей и неподвижной жидкостью является вязкость жидкости. Эти вихри, затормаживая движение струи, способствуют увеличению массы потока, увлекая в движение пограничные слои. Эти массы вследствие отсутствия четких границ, гасящих движение, будут соприкасаться с массами неподвижной жидкости и проводить их в движение вместе со струей. В процессе движения струи происходит ее торможение и выброс частиц из струи в окружающую жидкость.

Слой, в котором происходит перемешивание основной массы струи и окружающей ее массы жидкости, называют турбулентным пограничным слоем. Турбулентный пограничный слой вызывает подтормаживание частиц струи и вовлечение в движение частиц окружающей жидкости.

Пограничный слой струи с внешней стороны соприкасается с неподвижной жидкостью, а с внутренней — с ядром струи, скорость которой имеет постоянное значение.

По мере утолщения пограничного слоя сужается ядро струи, на некотором расстоянии от насадки ядро исчезает — и вся струя охватывается пограничным слоем.

Участок, в котором еще существует ядро струи, называют начальным участком, далее за ним следует основной участок.

Вершину конуса, ограничивающую и формирующую струю, называют полюсом. Полюс круглой струи всегда расположен до начального сечения струи.

Из представленной схемы действия затопленной струи можно рассчитать оптимальные параметры гидрорыхлителя для земснарядов с различными характеристиками грунтовых насосов.

В основу расчета грунтозаборных устройств земснарядов с совмещенными центральными насадками гидрорыхлителей и эжектором принята методика С.А. Коржаева [26], в дальнейшем уточненная инженером Н.Н. Кожевниковым [25].

Диаметр насадки определяется из известного в гидравлике выражения для расхода конической насадки Q0:

Диаметр насадки определяется из известного в гидравлике выраже-ния для расхода конической насадки формула

где Q0 — расход воды для гидрорыхления, м3/с; F0 — выходная площадь насадки, м2; Н0 — напор на насадке, м; μ = 0,94 — коэффициент расхода для сходящейся насадки с оптимальной конусностью 13°; g = = 9,81 м/с2.

По исследованиям ВНИИнеруд оптимальными параметрами для гидрохления песка и супеси с прослойками связных грунтов расход воды применяется в объеме 30% от номинальной подачи грунтового насоса Q0 = 0,3, а необходимый напор на насадке Н0 = 20–25 м.

Диаметр насадки определяется из геометрического выражения для площади круга

Диаметр насадки формула

Как известно, конусные насадки с центральным углом конусности в 13° принимаются из условия минимальных гидравлических потерь и доступности их изготовления, на рис. 2.7 представлена конструктивная схема такой насадки.

Рис. 2.7. Конструктивная схема гидрорыхлительного устройства
1 — водяной напорный коллектор; 2 — входной оголовок, конфузор ГЗУ; 3 — всасывающий пульпопровод земснаряда; 4 — насадка гидрорыхлителя; 5 — водовод от насоса; 6 — защитная решетка ГЗУ от крупных включений в грунте забоя земснаряда; 7 — экран-фланец ГЗУ; D0 — выходной диаметр конической насадки с конусностью в 13°; D0гр — диаметр водовода; Dвс — диаметр всасывающего пульпопровода

 

Значение длины насадки определяется из выражения:

Lн = Dпод – D0/2ctg6°30´ = (Dпод – D0)·4,388,

где Dпод — диаметр подводящего водовода; D0 — диаметр насадки гидрорыхлителя.

 

Диаметр подводящего водовода принимается из расчета скорости воды в трубе 4 м/с.

Исходя из изложенных условий, определен диаметр насадок для гидрорыхлителей и произведен подбор параметров водяных насосов для земснарядов с различными характеристиками грунтовых насосов (табл. 2.9).

 

Таблица 2.9

Выбор насосов и определение параметров гидрорыхления

Параметры Тип земснаряда
400–20 800–40 1400–40 200–63 300–70
Марка грунтового насоса

 

Подача грунтового насоса Qзем, м3

Напор грунтового насоса, м

Мощность грунтового насоса, кВт

ГрАУ

400/20

 

400

 

20

 

55

ГрУТ

800/40

 

800

 

40

 

230

ГрУТ

1400/40

 

1400

 

40

 

330

ГрУТ

2000/63

 

2000

 

63

 

630

ГрУТ

3000/72

 

3000

 

72

 

800

Назначенные и вычисленные параметры гидрорыхлителя
Расход через насадку Q0, м3

Напор на насадке Н0, м

Расчетный диаметр конической насадки Q0, мм

Диаметр водовода Dу, мм

120

 

20

 

47

 

 

100

240

 

20

 

67

 

 

150

420

 

20

 

89

 

 

200

600

 

20

 

106

 

 

50

900

 

20

 

130

 

 

300

Выбранный насос для гидрорыхления
Марка насоса

Подача, м3

Напор, м

Мощность, кВт

Частота, мин-1

Диаметр рабочего колеса, мм

6К-8а

120

30

20

1450

300

8К-12

240

30

40

1450

315

10Д-96

420

30

55

1450

325

12Д-136

600

30

75

1450

320

12Д-13

900

30

110

1450

365

Примечания: 1. Расход воды для гидрорыхлителя Q0 принят в размере 30% от номинальной подачи грунтового насоса, а напор на насадке Н0 — равным 20 м с учетом потерь напора до насадки.

1.     Диаметр насадки вычислялся из известного выражения для истечения из насадки , где коэффициент расхода принят μ = 0,94, как для конически сходящей насадки с центральным углом в 13°, F0 — площадь выходного сечения насадки, м2; Н — напор на насадке, м; Q0 — расход, м3/с; g = 9,81 м/с2.

2.     Диаметр напорного водовода Dвод вычислен при скорости воды 4 м/с.

 

Для того чтобы проанализировать выбор оптимальных параметров водяного насоса по расходу и напору, запишем выражение мощности струи, предназначенной для гидрорыхления грунта. Начальная мощность струи представляется известным в гидравлике выражением:

N = 10QH, кВт,

где Q — расход, м3/с; Н — напор, м.

При выражении напора через скорость струи

выражение напора через скорость струи

Начальная мощность струи определяется следующей зависимостью:

Начальная мощность струи формула

где Q0 — начальный расход, м3/с; N0 — начальная мощность струи, кВт; v0 — начальная скорость струи, м/с.

Мощность струи на расстоянии L от насадки будет

Мощность струи на расстоянии формула

где QL — действующий расход воды в сечении.

Расход воды в сечении струи на расстоянии L определяется так:

Расход воды в сечении струи формула

где DL — диаметр струи на расстоянии L.

Значение DL можно определить:

DL = D0 2tg6°30´L.

Выражение тангенса угла означает расширение струи с центральным углом 13°, что принято в гидравлике для оптимального угла расширения струи.

Из теории действия затопленной струи можно определить скорость струи на расстоянии L от насадки до расчетного сечения струи

скорость струи на расстоянии L от насадки до расчетного сечения струи

где m = 2,9 — опытный коэффициент, полученный для воды.

В качестве примера приведен сопоставительный расчет эффективности применимости насосов одинаковой мощности на гидрорыхление, но с различными подачами и напорами при расстоянии 1 м от расчетного сечения струи до насадки, табл. 2.10 [27].

 

Таблица 2.10

Расчет эффективности применимости насосов одинаковой мощности на гидрорыхление с различными подачами и напорами

Параметры Вариант I Вариант II
Напор Н0, мРасход Q0, м3/c

Мощность N, кВт

Скорость истечения из насадки (φ = 1) v0, м/с

Диаметр насадки D0, мм

Расстояние расчетного сечения от насадки L, мм

Отношение n = D0/L

Средняя скорость струи vL, м/с, на расстоянии L = 1000 мм

Диаметр струи, мм,

на расстоянии D = 1000 мм

Площадь струи, м2

Действующий расход струи QL, м3/с, на расстоянии L = 1000 мм

Мощность струи NL, кВт, на расстоянии L = 1000 мм

Коэффициент полезного действия струи η =  N1/N2

30

0,3

90

24,5

124

1000

0,124

6,47

 

599

0,281

1,82

38

0,42

60

0,15

90

36,4

74

1000

0,074

6,11

 

549

0,236

1,44

26,8

0,298

Соотношение коэффициентов η варианта 1 к варианту 2 0,42/0,298 = 1,41

 

Приведенные выше пояснения по теории затопленных струй позволяют сделать следующие выводы по выбору гидрорыхлителей грунта:

  1. Для гидрорыхления грунта эффективнее применять низконапорные насосы с напором около 30 м с целью получения на насадке напора в 20–25 м.
  2. При заданной мощности водяного насоса применение гидрорыхлителей с одной насадкой и увеличенным диаметром насадки эффективнее, чем при многоструйных насадках, в которых энергия струй гасится намного интенсивнее.
  3. Для гидрорыхления грунта в подводном забое достаточно расхода воды до 30% от подачи грунтового насоса, что подтверждено исследованиями ВНИИнеруд [27].
  4. При эксплуатации гидравлического рыхлителя мощность струи диаметром D0 = 124 мм на расстоянии 1 м от насадки падает в 2,5 раза, а диаметром D0 = 74 мм — более чем в 3 раза.
  5. Насадку гидрорыхлителя следует располагать возможно ближе к забою грунта, для чего целесообразно применять регулируемое ее перемещение в процессе работы.

В практике эксплуатации земснарядов гидрорыхлители, как правило, совмещены с эжектором в одном конструктивном узле (рис. 2.8) и представляют собой грунтозаборное устройство (ГЗУ).

Установка такого грунтозаборного устройства увеличивает часовую производительность земснаряда по грунту на 20–30% за счет снятия кавитации грунтового насоса и увеличения его напора и подачи при глубине разработки уже свыше 10 м.

Существующие модели центробежных грунтовых насосов имеют допустимую вакуумметрическую высоту всасывания, ограниченную 6–7 м. При большей высоте всасывания в насосе возникает недопустимая кавитация, приводящая к вибрации, снижению параметров подачи и напора. В режиме развитой кавитации эксплуатировать насос практически невозможно.

Для увеличения глубины разработки и производительности земснаряда применяют погружение грунтового насоса под воду. При этом вакуумметрическая высота всасывания увеличивается на высоту погружения.

Однако при этом возникают дополнительные конструктивные сложности по подводному приводу и размещению грунтового насоса на грунтозаборной раме.  В большинстве случаев модернизация существующих земснарядов невозможна и практически не оправданна.

 

Конструктивная схема эжекторно-гидрорыхлительного устройства

Рис. 2.8. Конструктивная схема эжекторно-гидрорыхлительного устройства:
1 — водяной напорный коллектор; 2 — насадка эжектора;  3 — входной оголовок — конфузор ГЗУ; 4 — всасывающий пульпопровод земснаряда; 5 — насадка гидрорыхлителя; 6 — водовод от насоса; 7 — защитная решетка ГЗУ от крупных включений в грунте забоя земснаряда; 8 — экран-фланец ГЗУ; D0эж — выходной диаметр конического эжектора конусностью в 13°; D0гр — диаметр насадки гидрорыхлителя; Dвод — диаметр водовода; Dвс — диаметр всасывающего пульпопровода; Dэ — диаметр экрана-фланца

 

Простым решением для увеличения подпора грунтового насоса является размещение эжектора водоструйного насоса на всасывающем оголовке земснаряда (рис. 2.9).

Эжектирующее устройство рассчитано на создание подпора (уменьшения разряжения) перед грунтовым насосом в среднем до 3 м в режиме номинальной подачи. Такой подпор с учетом собственной всасывающей способности грунтового насоса в 6 м достаточен для обеспечения подъема пульпы с плотностью 1,2 т/м3 с глубины до 25 м.

Для получения напора 3 м от эжектора во всасывающей магистрали достаточно иметь на насадке подводящий напор Н0 = 25 м.

Расход на эжектирование принимается в расчетах в размере 50% от номинальной подачи грунтового насоса:

Qэж 0,5QГрн.

Подача воды на эжектирование и гидрорыхление осуществляется от одного водяного насоса и в общем случае составляет 80% от подачи грунтового насоса. Напор водяного насоса выбирают 35 м, при этом принимают в количестве 10 м потери во всасывающей и напорной линиях насоса до насадок грунтозаборного устройства.

Совмещенная конструктивная схема грунтозаборного устройства показана на рис. 2.8, а в табл. 2.11 представлены параметры ГЗУ и водяных насосов для земснарядов с распространенными грунтовыми насосами.

На рис. 2.9 показано совмещенное ГЗУ на земснаряде ЗРС-В, изготовленном ООО «Сапропель» г. Нижнего Новгорода. На рис. 2.10 представлен данный земснаряд в работе на карьере по намыву строительной площадки под трубопрокатный завод «Стан-5000» в г. Выксе Нижегородской области.

Совмещенное ГЗУ на земснаряде ЗРС-В, изготовленном ООО «Сапропель» г. Нижнего Новгорода

 Рис. 2.9. Совмещенное ГЗУ на земснаряде ЗРС-В, изготовленном ООО «Сапропель» г. Нижнего Новгорода

 

Таблица 2.11

Выбор водяного насоса и параметров гидрорыхлителя и эжектора для разработки грунта земснарядами с распространенными грунтовыми насосами

Марка и параметры

грунтового насоса

Параметры гидрорыхлителя Параметры жектора Водяной насос для гидрорыхлителя и эжектора
Марка грунтового насоса Подача насоса, м3 Напор насоса, м Мощность, кВт Расход, м3 Напор, м Диаметр насадки, мм Расход, м3 Напор, м Диаметр насадки, мм Подача насоса, м3 Напор

насоса, м

Мощность, кВт Диаметр насадки, мм
1

 

2

 

3

 

4

ГрАУ

400/20

ГрУТ 800/40

ГрУТ

1400/40

ГрАУ

1600/25

400

 

800

 

1400

 

1600

20

 

40

 

40

 

25

55

 

230

 

330

 

250

120

 

240

 

420

 

460

23

 

25

 

25

 

25

50

 

60

 

89

 

90

200

 

400

 

700

 

800

23

 

25

 

25

 

25

60

 

80

 

110

 

120

320

 

640

 

1120

 

1260

33

 

35

 

35

 

32

55

 

110

 

130

 

140

150

 

200

 

250

 

250

 

Рис. 2.10. Земснаряд ЗРС-В в работе на карьере по намыву строительной площадки под трубопрокатный завод «Стан-5000» в г. Выксе Нижегородской области

  • Разделы

  • Введение
  • Раздел 1. Основные свойства грунтов в технологии намывных работ
  • Раздел 2. Землесосные снаряды для разработки подводных грунтов
  • Раздел 3. Гидравлическая транспортировка разрабатываемого грунта
  • Раздел 4. Намыв строительных площадок и территорий
  • Раздел 5. Намыв земляных сооружений
  • Раздел 6. Намыв пляжей
  • Раздел 7. Охрана окружающей среды при выполнении гидромеханизированных работ
  • Раздел 8. Техника безопасности в гидромеханизации
  • Список литературы