一种管道加气减阻输送泥浆装置

本发明属于管道泥浆运输技术领域，涉及一种管道加气减阻输送泥浆装置。

在航道疏浚作业的挖泥船上，疏浚泥泵将所绞切的泥浆吸起，并通过大口径长距 离的输泥管道将泥浆从疏浚点输送到距离较远的淤泥存放处理点。由于疏浚的泥浆组成成 分多、浓度高、流量大等特点，泥浆在管道中输送时呈多相流状态，其流速扰动大，流场复 杂。导致泥浆在管道中流动阻大，沿程水力降下降快，常常导致挖泥船输泥系的管道磨损、 堵塞、输送距离短以及能量消耗高等挖泥船输送技术问题，影响和限制了疏浚船舶的疏浚 作业范围、疏浚生产效率以及淤泥的排送距离，成了限制疏浚作业的一个瓶颈问题。

航道疏浚作业时，泥浆在管道中流动阻大，沿程水力降下降快，常常存在挖泥船输 泥管道磨损、堵塞、输送距离短以及能量消耗高的缺点。为了降低管道输送中能量消耗，需 要解决的关键技术问题就是降低泥浆在输泥管道中的流动阻力，减少泥浆的沿程水力损 失，亟需研发一种管道加气减阻输送泥浆装置。

（1）要解决的技术问题

本发明为了克服航道疏浚作业时，泥浆在管道中流动阻大，沿程水力降下降快，常常导 致挖泥船输泥系的管道磨损、堵塞、输送距离短以及能量消耗高的缺点，本发明要解决的技 术问题是提供一种降低泥浆在管道中的流动阻力，减少泥浆的沿程水力损失的一种管道加 气减阻输送泥浆装置。

（2）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种管道加气减阻输送泥浆装置，包括有 外管壁、内管壁、高压气道、高频振动器、气膜发生道和高压空气入口，外管壁和内管壁之间 为高压气道，高压气道内设有高频振动器，内管壁上设有气膜发生道，高压空气入口与高压 气道连接。

优选地，所述高频振动器包括有振动转盘Ⅰ、振动叶片、振动弹簧Ⅰ、振动钢球和振 动支架，振动支架安装在内管壁上，振动转盘Ⅰ安装在振动支架上，振动转盘Ⅰ上安装有振动 叶片，振动叶片上连接有振动弹簧Ⅰ，振动弹簧Ⅰ上连接有振动钢球。

优选地，所述高频振动器包括有振动转盘Ⅱ、振动短叶片、振动长叶片、振动平台、 振动弹簧Ⅱ和振动块，振动转盘Ⅱ安装在高压气道内，振动转盘Ⅱ上安装有振动短叶片和 振动长叶片，振动转盘Ⅱ下方设有振动平台，振动平台通过振动弹簧Ⅱ与内管壁连接，振动 平台下方设有3-4个振动块。

优选地，所述振动长叶片和所述振动短叶片的个数分别为4-6个，所述高压气道高 度为80mm，所述振动短叶片长度为25mm，所述振动长叶片长度为30mm。

优选地，所述外管壁直径为800mm，所述内管壁直径为600mm，内管壁厚度和外管壁 厚度均为10mm，所述高压气道高度为80mm，所述气膜发生道的截面由3段圆弧组成，3段圆弧 中心线的半径分别为400mm、350mm和450mm，气膜发生道截面的高度为30mm。

工作原理：

高频振动器可以高速地敲击内管壁，内管壁上附着的粘泥将被振松，更容易随着管道 的泥石流流动，减少了流体输送的阻力。气膜发生道可以把高压空气紧贴管壁喷射出，一般 来说对近壁层由于该区很薄且流速很小，在此处掺气可以使其壁面阻力降低，而对流体流 量的影响不是很大，可能实现相同流条件下的减阻。掺气后，管周壁形成一个封闭式环形水 气薄膜，使管壁变得光滑紧贴壁面边界层厚度由水气膜取而代之，使整个边界层的质量密 度、粘度及流速梯度变小，这时边界层内边壁切应力变小，这将导致输送阻力减小。

高压空气从高压气道通过时带动振动叶片高速旋转，振动叶片则带动振动弹簧Ⅰ 和振动钢球高速旋转，振动钢球就将高速地击打内管壁，当振动钢球击打内管壁后振动弹 簧Ⅰ就压缩，这样振动钢球就不会被内管壁卡住，整个高频振动器就可以高速地击打内管 壁。

所述高频振动器包括有振动转盘Ⅱ、振动短叶片、振动长叶片、振动平台、振动弹 簧Ⅱ和振动块，振动转盘Ⅱ安装在高压气道内，振动转盘Ⅱ上安装有振动短叶片和振动长 叶片，振动转盘Ⅱ下方设有振动平台，振动平台通过振动弹簧Ⅱ与内管壁连接，振动平台下 方设有3-4个振动块。

高压空气从高压气道通过时带动振动长叶片和振动短叶片高速旋转，由于振动长 叶片和振动短叶片的长度不同，因此振动长叶片和振动短叶片把振动平台按下的距离不 同，这样振动平台会做往复直线运动，振动平台下方的振动块也随之往复直线运动，振动块 就可以高速地敲击内管壁了。

振动短叶片相对于振动长叶片太短，则会出现振动短叶片触碰不到振动平台的现 象。如果振动短叶片相对于振动长叶片太长，则会出现振动短叶片触碰振动平台过多，导致 振动平台的振幅太小。经过多次试验，所述振动长叶片和所述振动短叶片的个数分别为4-6 个，所述高压气道高度为80mm，所述振动短叶片长度为24-26mm，所述振动长叶片长度为28- 32mm，在这些数据范围内，高频振动器的振动效果最理想。

气膜发生道由3段圆弧组成，此三段圆弧分别起到平顺进入、圆滑变向和贴壁喷出 的作用。固液混合流体经过气膜发生道的位置时会沿着气膜发生道的第一道弧形内壁运 动，并在第一道弧形内壁的末端有沿着第一道弧形内壁的切线向输送管道中心继续运动的 趋势。这样，在第二道弧形内壁和第三道弧形内壁处会形成小范围的真空。同时，高压气体 经过气膜发生道后紧贴着内管壁喷出，在内管壁形成一层气膜，固液混合流体向内管壁运 动时就不会直接触碰到内管壁，而是先触碰到气膜，降低固液混合流体与内管壁的粘度减 小。而且，气膜发生道的出气口的内管壁上设有高频振动器，这样有利于高压气与液体形成 微小气泡，可以减少管壁与流体的接触，从而改善泥浆内部摩阻以及泥浆与管壁之间的边 界摩擦，降低管道输送阻力。为了降低管道输送中能量消耗，需要解决的关键技术问题就是 降低泥浆在输泥管道中的流动阻力，减少泥浆的沿程水力损失。

（3）有益效果

气膜发生道可以让固液混合流体产生向输送管道中心运动的趋势，可以在气膜发生道 的出口出形成小范围的真快。同时，高压气体经过气膜发生道后紧贴着内管壁喷出，这样就 在内管壁形成一层气膜，固液混合流体向内管壁运动时就可以降低固液混合流体与内管壁 的粘度减小。而且，气膜发生道的出气口的内管壁上设有高频振动器，这样有利于高压气与 液体形成微小气泡，可以减少管壁与流体的接触，从而改善泥浆内部摩阻以及泥浆与管壁 之间的边界摩擦，降低管道输送阻力。

本发明解决了泥浆在管道中流动阻大，沿程水力降下降快的缺点，本发明达到了 降低泥浆在管道中的流动阻力，减少泥浆的沿程水力损失的的效果。

图1为本发明的结构示意图。

图2为高频振动器的结构示意图。

图3为高频振动器的结构示意图。

图4为高频振动器的结构示意图。

图5为高频振动器的结构示意图。

图6为本发明的结构示意图。

附图中的标记为：1-外管壁，2-内管壁，3-高压气道，4-高频振动器，5-气膜发生 道，6-高压空气入口，41-振动转盘Ⅰ，42-振动叶片，43-振动弹簧Ⅰ，44-振动钢球，45-振动支 架，401-振动转盘Ⅱ，402-振动短叶片，403-振动长叶片，404-振动平台，405-振动弹簧Ⅱ， 406-振动块。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种管道加气减阻输送泥浆装置，如图1-2所示，包括有外管壁1、内管壁2、高压气道3、 高频振动器4、气膜发生道5和高压空气入口6，外管壁1和内管壁2之间为高压气道3，高压气 道3内设有高频振动器4，内管壁2上设有气膜发生道5，高压空气入口6与高压气道3连接。

所述高频振动器4包括有振动转盘Ⅰ41、振动叶片42、振动弹簧Ⅰ43、振动钢球44和 振动支架45，振动支架45安装在内管壁2上，振动转盘Ⅰ41安装在振动支架45上，振动转盘Ⅰ 41上安装有振动叶片42，振动叶片42上连接有振动弹簧Ⅰ43，振动弹簧Ⅰ43上连接有振动钢 球44。

工作原理：

高频振动器4可以高速地敲击内管壁2，内管壁2上附着的粘泥将被振松，更容易随着管 道的泥石流流动，减少了流体输送的阻力。气膜发生道5可以把高压空气紧贴管壁喷射出， 一般来说对近壁层由于该区很薄且流速很小，在此处掺气可以使其壁面阻力降低，而对流 体流量的影响不是很大，可能实现相同流条件下的减阻。掺气后，管周壁形成一个封闭式环 形水气薄膜，使管壁变得光滑紧贴壁面边界层厚度由水气膜取而代之，使整个边界层的质 量密度、粘度及流速梯度变小，这时边界层内边壁切应力变小，这将导致输送阻力减小。

高压空气从高压气道3通过时带动振动叶片42高速旋转，振动叶片42则带动振动 弹簧Ⅰ43和振动钢球44高速旋转，振动钢球44就将高速地击打内管壁2，当振动钢球44击打 内管壁2后振动弹簧Ⅰ43就压缩，这样振动钢球44就不会被内管壁2卡住，整个高频振动器4 就可以高速地击打内管壁2。

实施例2

一种管道加气减阻输送泥浆装置，如图1-6所示，包括有外管壁1、内管壁2、高压气道3、 高频振动器4、气膜发生道5和高压空气入口6，外管壁1和内管壁2之间为高压气道3，高压气 道3内设有高频振动器4，内管壁2上设有气膜发生道5，高压空气入口6与高压气道3连接。

所述高频振动器4包括有振动转盘Ⅱ401、振动短叶片402、振动长叶片403、振动平 台404、振动弹簧Ⅱ405和振动块406，振动转盘Ⅱ401安装在高压气道3内，振动转盘Ⅱ401上 安装有振动短叶片402和振动长叶片403，振动转盘Ⅱ401下方设有振动平台404，振动平台 404通过振动弹簧Ⅱ405与内管壁2连接，振动平台404下方设有3-4个振动块406。

所述振动长叶片403和所述振动短叶片402的个数分别为4-6个，所述高压气道3高 度为80mm，所述振动短叶片402长度为25mm，所述振动长叶片403长度为30mm。

所述外管壁1直径为800mm，所述内管壁2直径为600mm，内管壁2厚度和外管壁1厚 度均为10mm，所述高压气道3高度为80mm，所述气膜发生道5的截面由3段圆弧组成，3段圆弧 中心线的半径分别为400mm、350mm和450mm，气膜发生道5截面的高度为30mm。

工作原理：

高频振动器4可以高速地敲击内管壁2，内管壁2上附着的粘泥将被振松，更容易随着管 道的泥石流流动，减少了流体输送的阻力。气膜发生道5可以把高压空气紧贴管壁喷射出， 一般来说对近壁层由于该区很薄且流速很小，在此处掺气可以使其壁面阻力降低，而对流 体流量的影响不是很大，可能实现相同流条件下的减阻。掺气后，管周壁形成一个封闭式环 形水气薄膜，使管壁变得光滑紧贴壁面边界层厚度由水气膜取而代之，使整个边界层的质 量密度、粘度及流速梯度变小，这时边界层内边壁切应力变小，这将导致输送阻力减小。

所述高频振动器4包括有振动转盘Ⅱ401、振动短叶片402、振动长叶片403、振动平 台404、振动弹簧Ⅱ405和振动块406，振动转盘Ⅱ401安装在高压气道3内，振动转盘Ⅱ401上 安装有振动短叶片402和振动长叶片403，振动转盘Ⅱ401下方设有振动平台404，振动平台 404通过振动弹簧Ⅱ405与内管壁2连接，振动平台404下方设有3-4个振动块406。

高压空气从高压气道3通过时带动振动长叶片403和振动短叶片402高速旋转，由 于振动长叶片403和振动短叶片402的长度不同，因此振动长叶片403和振动短叶片402把振 动平台404按下的距离不同，这样振动平台404会做往复直线运动，振动平台404下方的振动 块406也随之往复直线运动，振动块406就可以高速地敲击内管壁2了。

振动短叶片402相对于振动长叶片403太短，则会出现振动短叶片402触碰不到振 动平台404的现象。如果振动短叶片402相对于振动长叶片403太长，则会出现振动短叶片 402触碰振动平台404过多，导致振动平台404的振幅太小。经过多次试验，所述振动长叶片 403和所述振动短叶片402的个数分别为4-6个，所述高压气道3高度为80mm，所述振动短叶 片402长度为24-26mm，所述振动长叶片403长度为28-32mm，在这些数据范围内，高频振动器 4的振动效果最理想。

气膜发生道5由3段圆弧组成，此三段圆弧分别起到平顺进入、圆滑变向和贴壁喷 出的作用。固液混合流体经过气膜发生道5的位置时会沿着气膜发生道5的第一道弧形内壁 运动，并在第一道弧形内壁的末端有沿着第一道弧形内壁的切线向输送管道中心继续运动 的趋势。这样，在第二道弧形内壁和第三道弧形内壁处会形成小范围的真空。同时，高压气 体经过气膜发生道5后紧贴着内管壁2喷出，在内管壁2形成一层气膜，固液混合流体向内管 壁2运动时就不会直接触碰到内管壁2，而是先触碰到气膜，降低固液混合流体与内管壁2的 粘度减小。而且，气膜发生道5的出气口的内管壁2上设有高频振动器4，这样有利于高压气 与液体形成微小气泡，可以减少管壁与流体的接触，从而改善泥浆内部摩阻以及泥浆与管 壁之间的边界摩擦，降低管道输送阻力。为了降低管道输送中能量消耗，需要解决的关键技 术问题就是降低泥浆在输泥管道中的流动阻力，减少泥浆的沿程水力损失。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发 明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。