[发明专利]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

说明书

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。

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。