CC BY
22Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(10), 2013 г., [186-200] УДК 627.785
Н. Н. Арефьев (ООО «Октябрьский СЗ-НН», ФБОУ ВПО «ВГАВТ»)
НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПЛАВУЧИХ УСТАНОВОК ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДОЕМОВ
Приведен обзор новых конструкций технологического оборудования плавучих установок для очистки водоемов, обеспечивающих повышение энергоэффективности подводных дноочистительных работ. Рассмотрены конструкции грунтозаборных устройств для земснарядов с центробежными грунтовыми насосами: мониторные грунтоприемники с диффузионным рыхлением и принудительным подводом грунта, обеспечивающие объемную концентрацию засасываемой водогрунтовой смеси не менее 28 %; секционные грунтоприемники, предназначенные для проведения дноуглубительных работ с минимальным временем на разработку площади дна; щелевидные уширенные грунтоприем-ники для снятия тонких слоев грунта. Рассмотрены конструкции земснарядов со шнековыми насосами для разработки илистых грунтов, добычи сапропеля естественной влажности (без разбавления его водой), очистки навозо- и грязеотстойников: самоотвозные установки, обеспечивающие забор и транспортировку грунта в емкостях к берегу; установки, снабженные нагнетательными насосами объемного типа, которые транспортируют вязкопластичный грунт по плавучим и береговым трубопроводам к месту складирования. Приведены технические характеристики и схемы оборудования.
Ключевые слова: очистка водоемов, очистка навозоотстойников, дноуглубление, сапропель, ил, земснаряд, грунтозаборное устройство, грунтоприемник, шнековый насос.
N. N. Arefyev (LLC “Octyabrskiy SP-NN”, FBEE HPE “VSAWT”)
NEW DREDGE EQUIPMENT DESIGNS FOR WATER BODY CLEANING
The article gives the overview of the new designs in dredge technological equipment for cleaning the water body bottom to allow for higher energy efficiency of underwater dredging works. It contains design of dredgers with centrifugal pumps: 1) soil-receivers with water-supply nozzle which ensures the diffusion soil loosening and forced supply of soil into the soil-receiver providing a volume concentration of sucked soil-water mixture of at least 28 %; 2) multi-unit soil-receiver designed for wide trenches dredging of the bottom area; 3) soil-receiver with tight intake opening to remove the thin layer of ground. The design of a dredge with a screw pump for slimy ground dredging, sapropel (organic silt) extraction at natural moisture (without adding water) and treatment of manure-settlers and dirt-settlers is discussed. Screw pump dredgers can suck bottom ground and transport it ashore in tanks or by pumping through floating pump lines with positive displacement pump. The paper includes the technical specifications, diagrams and photos of the equipment.
Keywords: water area bottom cleaning, clean manure settlers, dredging, sapropel (organic silt), sludge, dredge, soil-intake device, soil-receiver, screw pump.
При очистке водоемов выполняются различные виды работ: углубление больших площадей дна, снятие тонких слоев ила, снятие толстых
слоев песчаного или песчано-гравийного грунта, добыча сапропеля и др. Данные работы по очистке водоемов выполняются преимущественно плавучими установками, такими как земснаряды с центробежными грунтовыми насосами (классическая схема земснаряда) и земснаряды со шнековыми грунтонасосными установками. Необходимо отметить, что повышение энергоэффективности подводных дноочистительных работ достигается применением современных конструкций технологического оборудования.
Для очистки водоемов наиболее широко применяются земснаряды, оснащенные центробежными грунтовыми насосами. Эффективность работы земснаряда в основном определяется степенью совершенства грунтозаборных устройств [1]. Земснарядами грунт выбирается из водоема и транспортируется к месту складирования. При заборе грунта со дна происходит разбавление его водой. Основная задача - уменьшить количество дополнительной воды, то есть повысить концентрацию засасываемой водогрунтовой смеси. Этого можно достичь применением современных эффективных грунтозаборных устройств. К ним можно отнести мониторные грунтоприемники с диффузионным рыхлением и принудительным подводом грунта к всасывающему зеву [1, 2]. Новизна грунтозаборного устройства состоит в том, что наряду с соплами для размыва грунта оно снабжено дополнительными соплами, направленными в сторону всасывающего зева грунтоприемника. Они предназначены для транспортирования размытого грунта в зону всасывания. Это дает возможность увеличить объемную концентрацию засасываемой водогрунтовой смеси до 28 % и более, в то время как существующие грунтозаборные устройства обеспечивают насыщение водогрунтовой смеси 8-10 %. Повышение насыщения водогрунтовой смеси грунтом обеспечивает, во-первых, увеличение производительности земснаряда по грунту, во-вторых, снижение энергетических затрат на извлечение каждого кубического метра грунта. Кроме того, оснащение грунтозаборного устройства соплами для принудительного подвода грунта в зону всасывания обеспечивает возмож-
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(10), 2013 г., [186-200] ность расширения зоны размыва и удаление ее от грунтоприемника, что снижает вероятность завала всасывающего зева при обвалах откосов грунта. Это увеличивает коэффициент использования земснаряда по времени. В итоге новая конструкция грунтозаборного устройства обеспечивает снижение себестоимости каждого кубометра извлеченного грунта.
При разработке несвязных грунтов грунтозаборными устройствами традиционной конструкции обычно применяется гидравлическое рыхление вымыванием или диффузионным методом [1, 3]. Оба метода связаны с всасыванием водогрунтовой смеси через узкую щель между кромкой наконечника и массивом грунта. Высокое насыщение водогрунтовой смеси может быть обеспечено при сохранении в процессе грунтозабора узкой всасывающей щели. Однако при изменяющихся грунтовых условиях это выполнить невозможно. Разработанная новая конструкция грунтозаборного устройства отличается увеличенной активной зоной всасывания [2]. Грунтоприемник (рисунок 1) включает всасывающий зев 1, удлиненный гидромониторный ствол 2, на котором установлены сопла 3 и 4. Сопла 4 осуществляют диффузионный размыв грунта, а сопла 3 транспортируют его к всасывающему зеву 1. Приток чистой воды ограничивается экраном 5. В новой конструкции рыхление осуществляется на расстоянии от всасывающего зева 1 до 1,5 м, в результате чего зона активного всасывания увеличивается по сравнению с традиционными конструкциями в 4-8 раз, что обеспечивает стабильно высокое насыщение водогрунтовой смеси независимо от изменений условий грунтозабора.
Разработана методика расчета нового грунтозаборного устройства [1, 4], в соответствии с которой рассчитаны, спроектированы, изготовлены и испытаны в эксплуатации новые грунтозаборные устройства на земснарядах проекта 258.Г40, 258.Г80, 258.Г150, 1-516. Новые устройства обеспечивают работу земснарядов с объемной концентрацией водогрунтовой смеси не менее 28 %. На рисунке 2 показан земснаряд проекта 258.Г80,
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(10), 2013 г., [186-200] оборудованный новым грунтозаборным устройством.
Рисунок 1 - Конструкция мониторного грунтоприемника с диффузионным рыхлением и принудительным подводом грунта
Рисунок 2 - Мониторный грунтоприемник на земснаряде проекта 258.Г80
Мониторные грунтоприемники применяют при выполнении очистных работ путем снятия толстых слоев грунта ямным способом. Для выполнения дноуглубительных работ траншейным способом на больших площадях применяют трехсекционные грунтоприемники [1, 5]. Преимущество технологии дноуглубления трехсекционными грунтоприемниками заключается в том, что за один проход земснаряда разрабатывается не одна
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(10), 2013 г., [186-200] траншея, а три, что значительно снижает время на очистку площади дна, а также уменьшает износы грунтонасосной установки и затраты энергии. Трехсекционный грунтоприемник спроектирован в соответствии с исследованиями [1] к земснаряду проекта 258.Г80 для проведения дноуглубительных работ на реке Черный Иртыш в республике Казахстан (рисунок 3). Эксплуатация земснаряда с 2008 г. показала, что необходимая глубина выработки обеспечивается при значительно меньшем переуглублении, чем при работе традиционно применяемыми эллиптическими грунтоприемниками.
Рисунок 3 - Трехсекционный грунтоприемник на земснаряде проекта 258.Г80
Для снятия тонких слоев илистого грунта наиболее эффективен двухсекционный щелевидный грунтоприемник с принудительным подводом грунта [1], разработанный в соответствии с авторским свидетельством на изобретение № 1532667. Он предназначен для получения ровного дна очищаемого водоема. Земснаряд с таким грунтоприемником работает траншейным способом. Конструкция грунтоприемника приведена на рисунке 4. Он включает корпус 1 с двумя всасывающими зевами 2, грунтопроводы 3, трубопровод подвода воды 4, коллекторы 5, экран 6, сопла 7. Вода подводится к центральному коллектору по трубопроводу 4, а в боковые - по трубам 8. При перемещении вперед грунтоприемник надвигается на массив грунта. Струи воды, вытекающие из сопел 7, отрывают грунт
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(10), 2013 г., [186-200] от массива и транспортируют его в зону всасывания к всасывающим зевам 2. Коллекторы 5 имеют призматическую форму и также отрывают грунт от массива, направляя его к соплам 7. Расход воды из сопел 7 рассчитывается таким образом, чтобы суммарный расход струй в зоне всасывания был не менее подачи грунтового насоса по воде.
Рисунок 4 - Конструкция двухсекционного щелевидного грунтоприемника с принудительным подводом грунта
На рисунке 5 показан щелевидный двухсекционный грунтоприем-ник, изготовленный для земснаряда проекта 258.Г80. Он показал высокую эффективность при проведении зачистных работ, обеспечивая ровное дно и высокую скорость разработки площади дна.
Рисунок 5 - Общий вид щелевидного грунтоприемника с принудительным подводом грунта
Известно [1, 6, 7], что удельные затраты энергии на перекачивание ила (сапропеля) естественной влажности значительно меньше, чем в состоянии пульпы. При этом центробежные насосы не могут обеспечить перекачивание сапропеля с предельным напряжением сдвига более 22,5 Па [7, 8], которое характерно для сапропеля в состоянии естественной влажности. Для преодоления этого недостатка были разработаны самоотвозные земснаряды с шнековыми грунтонасосными установками, обеспечивающие добычу сапропеля в состоянии естественной влажности. Основное их преимущество заключается в том, что они добывают ил (сапропель) со дна водоема без разбавления его водой, то есть в состоянии естественной влажности (90-97 %) в виде пастообразной массы. В этом виде ил (сапропель) можно использовать для подкормки скоту, перевозить на поля, а складирование на его берегу не требует отторжения больших площадей под отстойники и изготовления специальных водоспускных устройств.
Схема земснаряда проекта 6000 с шнековым насосом приведена на рисунке 6.
го
Рисунок 6 - Схема земснаряда проекта 6000
Конструкции земснаряда и шнековой грунтонасосной установки разработаны на основании патентов на изобретения № 1564285, 1613616, 1609888, 1744207. Земснаряд 1 состоит из корпуса катамаранного типа, выполненного из двух понтонов 3, соединенных поперечными носовой 4 и кормовой 5 балками. На корпусе установлены энергетическая установка 6 (трактор МТЗ-80), шнековая грунтонасосная установка 7 с рамой 8. Рама 8 крепится на понтонах 3 посредством шарниров 9 и гидроцилиндра 10, закрепленного на стреле 11 балки 4. Грунтонасосная установка 7 приводится в действие от заднего вала отбора мощности посредством карданных 12 и промежуточных 13 валов. Грунт от установки 7 поступает по нагнетательной трубе 14 к двухпозиционному распределителю 15, от которого отходят две трубы: 16 - к береговому трубопроводу, 17 - к бункерной приставке 2. На тракторе 6 установлен компрессор 18, соединенный с задним валом отбора мощности клиноременной передачей. На задних полуосях трактора 6 навешены двухбарабанные фрикционные лебедки 19, обеспечивающие перемещение земснаряда 1 с приставкой 2 по акватории водоема. Приставка 2 состоит из катамаранного корпуса, конструкция которого аналогична конструкции корпуса земснаряда, и бункера 20 со шлюзовым аппаратом в нижней части. Шлюзовой аппарат включает полый золотник 21 с кони-
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(10), 2013 г., [186-200] ческим раструбом и отверстием, расположенный в направляющем корпусе 22. Золотник 21 выполнен из трубы и перемещается в корпусе 22 поступательно гидроцилиндром 23. Конический раструб золотника 21 снабжен уплотнительными упругими кольцами. При перемещении золотника 21 гидроцилиндром 23 в крайнее левое положение (рисунок 6) отверстие в золотнике совпадает с разгрузочным отверстием бункера 20, при этом внутренняя полость бункера соединена с внутренней полостью золотника. В крайнем правом положении золотника 21 на рисунке 6 разгрузочное отверстие бункера 20 перекрыто стенкой золотника, грунт заперт в бункере. Земснаряд 1 и бункерная приставка 2 соединены талрепами 24.
Земснаряд работает следующим образом. Гидроцилиндром 10, который приводится в действие от гидростанции трактора 6 и управляется с пульта управления, рама 8 со шнековой грунтонасосной установкой 7 опускается в нижнее рабочее положение. Земснаряд перемещается лебедками 19, грунт захватывается шнековым насосом 7 и перемещается по трубе 14, распределителю 15, трубе 17 в бункер 20. После наполнения бункера 20 рама 8 с насосом 7 поднимаются гидроцилиндром 10 в верхнее положение и земснаряд перемещается лебедками 19 к берегу. Распределителем 15 труба 14 соединяется с трубой 16, которая посредством легко запирающегося шарового устройства соединяется с береговым грунтопроводом. Гидроцилиндром 23 золотник 21 перемещается в крайнее левое положение до полного соединения его конического раструба с конусным скрепером грунтонасосной установки 7. Наличие двух конусов обеспечивает их плотное соединение при изменяющихся осадках земснаряда 1 и приставки 2. После соединения насоса 7 с золотником 21 грунт из бункера 20 через разгрузочное отверстие поступает в полость золотника, а оттуда - в скреперующий конус насоса. Далее грунт насосом 7 перемещается по трубе 14, распределителю 15 и трубе 16 и транспортируется по береговому трубо-
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(10), 2013 г., [186-200] проводу в чеки-отстойники или грузится в береговые транспортные средства на расстояние до 50 м.
Все операции - добыча грунта, подача в бункер, перемещение по водоему вдоль траншеи, выгрузка грунта - осуществляются одним оператором.
Общий вид земснаряда проекта 6000 показан на рисунке 7. На рисунке 8 показан момент наполнения бункера сапропелем естественной влажности (88-90 %).
Рисунок 7 - Общий вид земснаряда проекта 6000
Рисунок 8 - Наполнение бункера сапропелем влажностью 88-90 %
Основные технические характеристики земснаряда проекта 6000 приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Основные технические характеристики земснаряда
проекта 6000
Наименование Технические характеристики
Габаритные размеры, м:
длина 21
ширина 5
Осадка, м 0,72
Производительность шнекового насоса, м3/ч 120
Г лубина грунтозабора, м до 5
Масса общая, т 26,5
Достоинство самоотвозных земснарядов состоит в простоте их обслуживания, возможности использования в зимнее время трактора (энергетической установки земснаряда) для вывозки сапропеля на поля.
Основной недостаток рассмотренных выше конструкций - низкая эксплуатационная производительность, которая зависит от площади акватории водоема, т. к. после загрузки бункера земснаряд перемещается к месту выгрузки сапропеля, а после выгрузки возвращается к месту грунтозабора, т. е. часть рабочего времени земснаряда расходуется непроизводительно, что снижает коэффициент использования земснаряда по времени. Поэтому была разработана новая конструкция земснаряда [1], где для трубопроводного транспортирования сапропеля на берег применяется насос объемного типа. Схема земснаряда проекта 258.60СШ приведена на рисунке 9.
Конструкции земснаряда и шнековой грунтонасосной установки разработаны на основании патента на полезную модель № 71127 и патентов на изобретения № 1609888, 1744207 и 2014401. Земснаряд состоит из грунтозаборного устройства 1, шарнирно подвешенного на корпусе 2 с помощью рамоподъемного устройства 3. Грунтозаборное устройство 1 включает шнековый насос 4, соединенный с приводным электродвигателем 5 валопроводом 6, установленными на раме 7. Шнековый насос 4 последовательно соединен с винтовым насосом 8, установленным в корпусе земснаряда в насосном отделении, трубопроводом 9 (следовательно, шнековый
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(10), 2013 г., [186-200] насос 4 является бустерным). Перемещения земснаряда вдоль траншеи осуществляются носовой 10 и кормовой 11 становыми лебедками. Боковые перемещения выполняются четырьмя папильонажными лебедками 12.
£
Рисунок 9 - Схема земснаряда проекта 258.60СШ
Работа земснаряда осуществляется следующим образом. Грунтозаборное устройство опускается в нижнее рабочее положение, когда насос 4 своим скрепером захватывает грунт. С помощью становой лебедки 10 земснаряд перемещается вперед, забирая сапропель из массива. Шнековым насосом 4 грунт подается по трубопроводу 9 во всасывающую часть винтового насоса 8. Дале винтовым насосом грунт транспортируется по плавучему и береговому грунтопроводам до места складирования или переработки. Общий вид земснаряда показан на рисунке 10.
Земснаряд может применяться для добычи лечебной грязи, очистки водоемов и отстойников от илистых отложений, очистки прудов рыбоводческих хозяйств без слива воды, отстойников животноводческих комплексов с гидросмывом, ирригационных каналов и оросительных систем. Экс-
плуатация земснаряда допускается в интервале температур наружного воздуха от минус 5 °С до 40 °С.
Рисунок 10 - Общий вид земснаряда проекта 258.60СШ
Технические характеристики земснаряда проекта 258.60СШ приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Технические характеристики земснаряда
проекта 258.60СШ
Наименование Технические характеристики
Производительность по сапропелю естественной влажности, м3/ч 60
Дальность транспортировки грунта при высоте подъема от уровня воды до 5 м, м 700
Глубина грунтозабора, м:
минимальная 0,7
максимальная 5
Осадка максимальная, м, не более 0,55
Одновременно потребляемая мощность установленными механизмами, кВт, не более 85
Масса земснаряда (без приставки под дизель-генератор), т 14
Размеры корпуса земснаряда, м:
длина 11,5
ширина 2,4
Опыт эксплуатации земснаряда в навигации в 2011-2012 гг. в Тюменской области аграрной фирмой «КРиММ» показал, что сапропель естественной влажности можно транспортировать по полиэтиленовым трубам
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(10), 2013 г., [186-200] винтовым насосом. Земснаряд разрабатывал залежи сапропеля, донные слои которого заросли травой. Грунтозаборным шнеком, установленным перед шнековым насосом, трава перерубалась на куски, которые проходили через шнековый и винтовой насосы. Благодаря герметичному соединению трубопровода с винтовым насосом, разработка месторождения успешно проводилась также на участках со скоплением «болотного газа».
На основе вышесказанного можно сделать следующие краткие выводы: новые конструкции технологического оборудования для земснарядов с центробежными грунтовыми насосами обеспечивают забор высоконасыщенной водогрунтовой смеси (с объемной концентрацией не менее 28 %), а земснаряды с шнековыми грунтонасосными установками добывают сапропель естественной влажности без разбавления его водой; применение рассматриваемых конструкций обеспечивает значительное энергосбережение при выполнении работ по очистке водоемов.
Список использованных источников
1 Арефьев, Н. Н. Научное обоснование технических решений и разработка на их основе средств повышения эффективности судовых энергетических установок землесосных снарядов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.08.05 / Арефьев Николай Николаевич. - Нижний Новгород, 2011. -41 с.
2 Грунтозаборное устройство: пат. 2390612 Рос. Федерация: МПК E02F3/88 / Арефьев Н. Н.; заявитель и патентообладатель Арефьев Н. Н. -№ 2008121676/03; заявл. 28.05.2008; опубл. 10.12.2009, Бюл. № 15. - 6 с.
3 Харин, А. И. Разработка грунтов плавучими землесосными снарядами / А. И. Харин - М.: Стройиздат, 1966. - 235 с.
4 Арефьев, Н. Н. Теоретическое обоснование внедрения гидромониторного грунтоприемника с принудительным подводом грунта / Н. Н. Арефьев // Гидротехническое строительство. - 2010. - № 6. -С. 36-39.
5 Арефьев, Н. Н. Новые способы и средства повышения консистенции засасываемой земснарядом водогрунтовой смеси / Н. Н. Арефьев, А. В. Согин, О. Н. Тарасова // Гидромеханизация / По материалам четвертого съезда гидромеханизаторов России: темат. прилож. к Горному ин-форм.-аналит. бюл. - 2006: - Вып. 4. - М.: Изд-во МГГУ, 2006. - С. 183189.
6 Москалев, Н. М. Напорный гидротранспорт ила: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.08.05 / Москалев Николай Михайлович. - М., 1957. -22 с.
7 Голуб, А. В. Исследование технологии намыва сапропелей на поля передвижными установками при очистке водоемов: автореф. дис. ... канд. техн. наук / А. В. Голуб. - М., 1979. - 21 с.
8 Методические указания по расчету гидравлического транспорта сапропелей: утв. НТС Главнечерноземводстроя при Минводхозе СССР / Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР. Главнечернозем-водстрой. ВНИИГиМ им. А. Н. Костякова). - М., 1981. - 78 с.
Арефьев Николай Николаевич - доктор технических наук, Общество с ограниченной ответственностью «Октябрьский судостроительный завод в г. Нижнем Новгороде» (ООО «Октябрьский СЗ-НН»), главный специалист по гидротехнике; профессор, Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта» (ФБОУ ВПО «ВГАВТ»).
Контактные телефоны: 8(853) 438-36-47, 8-920-291-66-71.
E-mail: arefyev1987@mail.ru
Arefyev Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, Limited Liability Company “Octyabrskiy Ship-constructing Plant in Nizhny Novgorod” (LLC “Octyabrskiy SP-NN”), Chief specialist of hydraulic engineering; Professor of the Federal Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Volga State Academy of Water Transport” (FBEE HPE “VSAWT”).
Contact telephone number: 8 (853) 438-36-47, 8-920-291-66-71.
E-mail: arefyev1987@mail.ru
