用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置

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2024-05-21 09:17:44

权利要求书： 1.用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，其特征在于：包括锰结核矿石给料舱和螺旋流发生舱，所述螺旋流发生舱包括下舱体和上舱体，在所述下舱体的顶部设有所述上舱体，所述下舱体和上舱体相连通，在所述上舱体内壁设有若干条舱壁导流叶片，所述上舱体与柔性立管密封接头连接，矿石浆体高压泵组将所述锰结核矿石给料舱中的矿石浆体通过矿石浆体输送管路输送至下舱体，在所述下舱体上设有高压射流喷嘴，所述高压射流喷嘴通过海水输送管路与海水抽吸泵组相连，所述海水抽吸泵组接入海水，由高压射流喷嘴在下舱体中产生高速喷射流；

还包括智能控制系统，在所述锰结核矿石给料舱的顶部设有给料舱连接法兰，所述给料舱连接法兰上设有所述智能控制系统，所述给料舱连接法兰与矿石浆体输送管路相连接，所述智能控制系统通过通讯电路控制矿石浆体高压泵组、海水抽吸泵组和高压射流喷嘴。

2.根据权利要求1所述的用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，其特征在于：所述智能控制系统包括PLC控制模块、第一通讯电路、第二通讯电路、第三通讯电路和变频器，所述PLC控制模块通过第一通讯电路控制矿石浆体高压泵组从锰结核矿石给料舱中泵送的颗粒泥浆浓度，所述PLC控制模块通过第三通讯电路与变频器电连接，所述变频器通过第二通讯电路控制高压射流喷嘴，所述变频器通过制动电阻控制海水抽吸泵组抽吸海水的流量。

3.根据权利要求1所述的用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，其特征在于：所述下舱体为等截面下舱体，所述等截面下舱体为圆柱型，所述上舱体为变截面上舱体，所述上舱体的上截面为下截面的0.3倍。

4.根据权利要求1或2所述的用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，其特征在于：在所述上舱体内壁均匀布设有八条舱壁导流叶片，所述舱壁导流叶片的包角为10°?15°。

5.根据权利要求4所述的用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，其特征在于：所述舱壁导流叶片为弹性导流叶片。

6.根据权利要求1所述的用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，其特征在于：在所述下舱体和上舱体的连接处设有第一耐压舱体加强筋，在所述下舱体底端设有第二耐压舱体加强筋。

7.根据权利要求1所述的用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，其特征在于：所述海水输送管路为左右对称弯曲硬管，所述海水输送管路的弯曲角度为60°，通过法兰与海水抽吸泵组相连，海水输送管路顶端连接高压射流喷嘴产生切向射流。

8.根据权利要求1所述的用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，其特征在于：在所述下舱体对称设有两个高压射流喷嘴，所述高压射流喷嘴与下舱体的舱壁做密封处理。

9.根据权利要求1所述的用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，其特征在于：所述上舱体的顶部通过上舱体出口连接法兰与柔性立管密封接头连接，所述矿石浆体输送管路通过下舱体入口连接法兰安装在下舱体底部中间。

说明书：用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置技术领域[0001] 本发明涉及高速螺旋流发生装置领域，尤其涉及一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置。

背景技术[0002] 在海底矿产资源中，锰结核矿产资源储量大、品位高，具有巨大的商业开采价值，将锰结核颗粒从海底提升到海面的扬矿技术是深海采矿系统中至关重要的核心技术之一。

近年来，基于第三代集矿系统为技术原型的全柔性立管水力提升系统日益成为研究的热

点，印度国家海洋技术研究所(NIOT)和德国Siegen大学InstitutfürKonstruktion研究

所(IKS)联合研制了应用于锰结核开采的全柔性软管深海采矿系统，并完成了海上作业测

试。TechnipFMC公司设计了开采海底硫化物(SMS)的全柔性管系统，并研制了配套高耐磨柔

性立管。但现阶段高效率的水力输送和降低固体颗粒对管道内壁磨损是柔性立管提升系统

的研究难点。

[0003] 目前应用于全柔性管的水力提升系统采用直流式输运方式，能量损耗较大，限制了提升效率，并且无法降低输送过程中颗粒对管道内壁的磨损影响。而现有的导叶式螺旋

流发生装置在管道内壁固定导流叶片，由于管道内径空间较小，容易造成矿石颗粒的堵塞，

并且一旦叶片发生损坏，将影响整个管道运行，维修成本较高。目前筒体式高速螺旋流发生

装置适用于刚性扬矿硬管提升系统，并且不能智能调配矿石颗粒和海水的配比浓度。高速

螺旋流具有能量集中、颗粒携带力强、输送浓度高等优点，将其应用于深海采矿水力提升系

统，可以借助其周向流动将沉积的锰结核颗粒拖曳旋浮于主流中，提高管道横断面颗粒的

均匀度，实现扬矿管的高浓度低能耗运输目标。另外，高速螺旋流在扬矿管内的提升过程

中，管轴心附近出现由负压产生的强卷吸效应，使锰结核颗粒向管道轴心聚集，从而减少了

颗粒对管壁的磨损作用。因此，研发一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发

生装置是个亟待解决的问题。

发明内容[0004] 有鉴于此，本发明旨在提出一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，可以提高整个系统生产效率和安全性能，为深海采矿系统提供高效稳定的输送保

障。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：[0006] 一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，包括锰结核矿石给料舱和螺旋流发生舱，所述螺旋流发生舱包括下舱体和上舱体，在所述下舱体的顶部设有

所述上舱体，所述下舱体和上舱体相连通，在所述上舱体内壁设有若干条舱壁导流叶片，所

述上舱体与柔性立管密封接头连接，矿石浆体高压泵组将所述锰结核矿石给料舱中的矿石

浆体通过矿石浆体输送管路输送至下舱体，在所述下舱体上设有高压射流喷嘴，所述高压

射流喷嘴通过海水输送管路与海水抽吸泵组相连，所述海水抽吸泵组接入海水，由高压射

流喷嘴在下舱体中产生高速喷射流。

[0007] 进一步的，本高速螺旋流发生装置还包括智能控制系统，在所述锰结核矿石给料舱的顶部设有给料舱连接法兰，所述给料舱连接法兰上设有所述智能控制系统，所述给料

舱连接法兰与矿石浆体输送管路相连接，所述智能控制系统通过通讯电路控制矿石浆体高

压泵组、海水抽吸泵组和高压射流喷嘴。

[0008] 进一步的，所述智能控制系统包括PLC控制模块、第一通讯电路、第二通讯电路、第三通讯电路和变频器，所述PLC控制模块通过第一通讯电路控制矿石浆体高压泵组从锰结

核矿石给料舱中泵送的颗粒泥浆浓度，所述PLC控制模块通过第三通讯电路与变频器电连

接，所述变频器通过第二通讯电路控制高压射流喷嘴，变频器能够控制高压射流喷嘴产生

的入射速度，进而控制螺旋流的输送速度，所述变频器通过制动电阻控制海水抽吸泵组抽

吸海水的流量，以达到调控进入螺旋流发生舱内部流体的混合密度。

[0009] 进一步的，所述下舱体为等截面下舱体，所述等截面下舱体为圆柱型，所述上舱体为变截面上舱体，所述上舱体的上截面为下截面的0.3倍。

[0010] 进一步的，所述上舱体的顶部通过上舱体出口连接法兰与柔性立管密封接头连接，所述矿石浆体输送管路通过下舱体入口连接法兰安装在下舱体底部中间。

[0011] 进一步的，在所述下舱体对称设有两个高压射流喷嘴，所述高压射流喷嘴与下舱体的舱壁做密封处理。

[0012] 进一步的，在所述上舱体内壁均匀布设有八条舱壁导流叶片，所述舱壁导流叶片的包角为10°?15°。

[0013] 进一步的，所述舱壁导流叶片为弹性导流叶片。[0014] 进一步的，在所述下舱体和上舱体的连接处设有第一耐压舱体加强筋，在所述下舱体底端设有第二耐压舱体加强筋，如此设置，能够避免由于超深水外压造成的壳体结构

压溃失效。

[0015] 进一步的，所述海水输送管路为左右对称弯曲硬管，所述海水输送管路的弯曲角度为60°，通过法兰与海水抽吸泵组相连，海水输送管路顶端连接高压射流喷嘴产生切向射

流。

[0016] 相对于现有技术，本发明所述的用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置具有以下优势：

[0017] (1)本发明结构合理，安装使用流程明确，方便维修检查，连接给料舱的智能控制系统，能够合理配比输入高压泵组的矿石浆体浓度，并调控海水抽吸泵组和高压射流喷嘴

将高流速海水输入螺旋流发生舱中，由喷射流带动发生舱内泥浆产生对锰结核颗粒旋浮拖

曳力较强的高速螺旋流，提高管道截面颗粒均匀度，提升管道输送效率，并利用高速螺旋流

强卷吸效应降低颗粒对管壁的磨损。

[0018] (2)位于上舱体内部设有弹性导流叶片，上窄下宽的空间设计可以有效提升螺旋流速度，并能避免矿石颗粒堵塞，弹性导流叶片既能减缓颗粒碰撞影响，又能增强螺旋流的

周向运动，提高螺旋流输送强度，当叶片达到使用寿命，可拆卸螺旋流发生舱进行更换，不

会影响整体柔性立管系统，维护成本大幅降低；螺旋流发生舱内部设有耐压舱体加强筋，避

免由于超深水外压造成的壳体结构压溃失效。

[0019] (3)连接给料舱的智能控制系统，可以调控输送锰结核矿浆密度，有效减缓内流密度对柔性立管流致振动的影响，从而提高整个系统生产效率和安全性能，为深海采矿系统

提供高效稳定的输送保障。

附图说明[0020] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0021] 图1是本发明高速螺旋流发生装置的外部结构图；[0022] 图2是本发明高速螺旋流发生装置的左视图；[0023] 图3是本发明高速螺旋流发生装置的俯视图；[0024] 图4是本发明高速螺旋流发生装置的剖面图；[0025] 图5是本发明高速螺旋流发生装置中智能控制系统的原理框图。[0026] 附图标记说明：[0027] 1、柔性立管密封接头；2、上舱体出口连接法兰；3、变截面上舱体；4、等截面下舱体；5、高压射流喷嘴；6、海水输送管路；7、下舱体入口连接法兰；8、矿石浆体输送管路；9、海水抽吸泵组；10、矿石浆体高压泵组；11、海水输送管路连接法兰；12、智能控制系统；13、给料舱连接法兰；14、锰结核矿石给料舱；15、舱壁弹性导流叶片；16、第一耐压舱体加强筋；

17、第二耐压舱体加强筋；18、PLC控制模块；19、第一通讯电路；20、第二通讯电路；21、变频器；22、第三通讯电路、23、制动电阻。

具体实施方式[0028] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0029] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对

本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”

的含义是两个或两个以上。

[0030] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语

在本发明中的具体含义。

[0031] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。[0032] 如图1至4所示，一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，包括锰结核矿石给料舱14、螺旋流发生舱和智能控制系统12，所述螺旋流发生舱为圆柱型耐

高压壳体结构，包括等截面下舱体4和变截面上舱体3，锰结核矿石给料舱14顶部安装有给

料舱连接法兰13，所述给料舱连接法兰13上设有智能控制系统12，给料舱连接法兰13与矿

石浆体输送管路8相连接，在所述矿石浆体输送管路8上设有矿石浆体高压泵组10，智能控

制系统12通过通讯电路控制矿石浆体高压泵组10、海水抽吸泵组9和高压射流喷嘴5，矿石

浆体高压泵组10将锰结核矿石给料舱14中的矿石浆体由矿石浆体输送管路8输送至等截面

下舱体4，矿石浆体输送管路8由下舱体入口连接法兰7固装在等截面下舱体4底部中间，在

所述等截面下舱体4上设有高压射流喷嘴5，所述高压射流喷嘴5通过海水输送管路6与海水

抽吸泵组9相连，海水抽吸泵组9将海水按照智能控制系统12配比的流量抽吸入海水抽吸泵

组9中，并经由海水输送管路6泵送至高压射流喷嘴5，由高压射流喷嘴5在等截面下舱体4中

产生高速喷射流，变截面上舱体3内壁均布8条舱壁弹性导流叶片15，变截面上舱体3通过上

舱体出口连接法兰2与柔性立管密封接头1连接。

[0033] 本实施例中，一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，在所述下舱体4和上舱体3的连接处设有第一耐压舱体加强筋16，在所述下舱体底端设有第二耐

压舱体加强筋17，能够避免由于超深水外压造成的壳体结构压溃失效。

[0034] 本实施例中，一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，所述海水输送管路6为左右对称弯曲硬管，通过海水输送管路连接法兰11与海水抽吸泵组相连，

弯曲角度为60°，管路顶端连接高压射流喷嘴产生切向射流。所述螺旋流发生舱内底部中间

通过法兰固装有矿石浆体输送管路8，顶部中间通过法兰固装有柔性立管密封接头。

[0035] 本实施例中，一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，所述等截面下舱体4为圆柱型耐高压壳体结构，两侧对称安装高压射流喷嘴5，高压射流喷嘴5与

等截面下舱体4密封连接，高压射流喷嘴5由智能控制系统12控制产生额定速度和流量的高

压喷射流，带动等截面下舱体4内部泥浆快速旋转，并与矿石浆体高压泵组10泵送的轴向流

形成高速螺旋流，使舱内矿石颗粒受到周向螺旋流与轴向直流共同的旋浮和托抬作用，避

免矿石颗粒在下舱体底部堆积，并由于螺旋流产生的负压作用，使矿石颗粒向舱体中间聚

集，流入变截面上舱体3中。

[0036] 本实施例中，一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，所述变截面上舱体3上截面为下截面的0.3倍，使上舱体内部矿浆流速快速提升，约使矿浆速度

提升4倍，提高了螺旋流的输送强度和速度；并且上窄下宽的空间设计可以有效提升螺旋流

速度，并能避免矿石颗粒堵塞。

[0037] 本实施例中，一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，所述舱壁弹性导流叶片15均布于变截面上舱体3内壁，舱内共有8条舱壁弹性导流叶片15，叶片

的包角为10°?15°；所述舱壁弹性导流叶片15为高分子耐磨弹性材料，既能减缓颗粒碰撞影

响，又能增强螺旋流的周向运动，提高螺旋流输送强度，当叶片达到使用寿命，可拆卸螺旋

流发生舱进行更换。

[0038] 本实施例中，一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，所述柔性立管密封接头1通过法兰连接高速螺旋流发生装置与柔性立管提升系统，接头具有高

强度、高密封功能，并可以通过拆解密封接头，实现高速螺旋流发生装置的维护，不会对整

体柔性立管提升系统造成影响。

[0039] 本实施例中，一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，所述锰结核矿石给料舱14位于水力提升系统水下进料单元内部，通过跨接软管与海底采矿车相

连接，用于存储采集的锰结核矿石，所述锰结核矿石给料舱14为圆柱型结构，上部安装法

兰，与高压泵组系统连接。

[0040] 本实施例中，一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，在变截面上舱体3内产生的高速螺旋流由上舱体出口连接法兰2和柔性立管密封接头1输送至连

接的柔性立管中，并由提升泵将矿石浆体联合输送至采矿船。

[0041] 如图5所示，本高速螺旋流发生装置中的智能控制系统12通过通讯电路控制矿石浆体高压泵组10、海水抽吸泵组9和高压射流喷嘴5。所述智能控制系统包括PLC控制模块

18、第一通讯电路19、第二通讯电路20、第三通讯电路22和变频器21，所述PLC控制模块18为

西门子S7?200系列PLC，所述第一通讯电路19、第二通讯电路20、第三通讯电路22均为RS?

485通讯电路，均由芯片MAX485组成。所述PLC控制模块18通过第一通讯电路19控制矿石浆

体高压泵组10从锰结核矿石给料舱14中泵送的颗粒泥浆浓度，所述PLC控制模块18通过第

三通讯电路22与变频器21电连接，所述变频器21通过第二通讯电路20控制高压射流喷嘴5，

变频器能够控制高压射流喷嘴产生的入射速度，进而控制螺旋流的输送速度，所述变频器

21通过制动电阻23控制海水抽吸泵组9抽吸海水的流量，以达到调控进入螺旋流发生舱内

部流体的混合密度。

[0042] 本实施例中，一种用于深海采矿全柔性管提升系统的高速螺旋流发生装置，PLC控制模块能够调控提升系统中泥浆中所需的矿石比例，控制从给料舱中泵送的颗粒泥浆浓

度，变频器能够对海水抽吸泵组进行变频调速，由制动电阻控制抽吸海水的流量，以达到调

控进入螺旋流发生舱内部流体的混合密度；所述智能控制系统通过第二通讯电路与位于螺

旋流发生舱的高压射流喷嘴相连，变频器能够控制高压射流喷嘴产生的入射速度，进而控

制螺旋流的输送速度。所述海水抽吸泵组通过智能控制系统调节抽取海水的流量，通过海

水输送管路输送至螺旋流发生舱，用于产生高压射流和配比输送泥浆的浓度。

[0043] 作业工况下，海底采矿车通过跨接软管将锰结核矿石浆体输送到水力提升给料泵送系统中的锰结核矿石给料舱14中，通过智能控制系统12中的PLC控制模块18，控制提升系

统中泥浆中所需的矿石比例，由第一通讯电路19控制矿石浆体高压泵组10从锰结核矿石给

料舱14中泵送的颗粒泥浆浓度，由变频器21对泥浆泵和制动电阻23控制海水抽吸泵组9抽

吸海水的流量，以达到调控进入螺旋流发生舱内部流体的混合密度。

[0044] 本实施例的工作过程如下：作业条件下，海底采矿车通过跨接软管将锰结核矿石浆体输送到水力提升给料泵送系统中的锰结核矿石给料舱中，通过连接给料舱的智能控制

系统，配比输入高压泵组的矿石浆体浓度，并调控海水抽吸泵组和高压射流喷嘴将高流速

海水输入螺旋流发生舱中，由喷射流带动发生舱内泥浆产生对锰结核颗粒旋浮拖曳力较强

的高速螺旋流，提高管道截面颗粒均匀度，提升管道输送效率，并利用高速螺旋流强卷吸效

应降低颗粒对管壁的磨损。位于舱体上部内部设有弹性导流叶片，上窄下宽的空间设计可

以有效提升螺旋流速度，并能避免矿石颗粒堵塞，弹性导流叶片既能减缓颗粒碰撞影响，又

能增强螺旋流的周向运动，提高螺旋流输送强度，当叶片达到使用寿命，可拆卸螺旋流发生

舱进行更换，不会影响整体柔性立管系统，维护成本大幅降低。螺旋流发生舱内部设有耐压

舱体加强筋，避免由于超深水外压造成的壳体结构压溃失效。此外，连接给料舱的智能控制

系统，可以调控输送锰结核矿浆密度，有效减缓内流密度对柔性立管流致振动的影响，从而

提高整个系统生产效率和安全性能，为深海采矿系统提供高效稳定的输送保障。

[0045] 本发明的高速螺旋流发生装置为深海采矿全柔性管系统提供了高效输送方案，降低矿石对管道磨损的前提下提升了输送安全性及可靠性，提高了生产效率。

[0046] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。