一种坐底式风电安装平台淹没空化喷嘴及其设计方法与流程

1.本发明涉及海洋工程技术领域，尤其是涉及一种坐底式风电安装平台淹没空化喷嘴及其设计方法。


背景技术：

2.近年来随着国内外对可再生能源越来越重视，海上风力发电项目日益增多，对先进的坐底式安装平台相关技术的需求也随之越来越迫切；由于安装平台需要频繁的拔桩移位工作，这里就需要冲喷系统对桩底进行喷冲，从而破除桩底黏土的泥土阻力和吸附力，从而使安装平台拔桩能够更容易的进行。然而，喷冲系统所采用的常规喷嘴要么需要较大的供给压力对桩腿进行冲喷，这种冲喷效果一般，对供给压力的需求的比较大；要么使用压缩空气冲刷桩靴上下表面的泥土，填充桩靴底部的真空层，破坏桩靴上部和桩腿周围泥土的吸附力，冲刷效果较为理想，但是压缩空气的成本较高。
3.根据流体力学中的伯努力方程可知，在流动的液体当中，如果液体某点的压力低于了该处的饱和蒸汽压，原本溶解在液体中的空气就会被析出，同时液体自身也会汽化，在液体中产生大量的气泡。气泡会随着液体流动，在低压区生长，当气泡进入高压区时，气泡会在压力作用下溃灭，因为在这个过程时间极短，气泡周围的液体加速向气泡中心冲击，液体质点间高速碰撞，产生局部高温，冲击压力高达几百兆帕，从而产生汽蚀现象。
4.综上所述，由于空化现象产生的冲刷效果明显，不但所需的冲喷压力不高对介质要求不高可以是水也可以是海水，这样可以极大的降低成本，如何合理的利用空化现象辅助坐底式风电安装平台拔桩是有待解决的问题。


技术实现要素：

5.发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种坐底式风电安装平台淹没空化喷嘴，增强冲喷效果，降低成本。并提供了其设计方法。
6.技术方案：一种坐底式风电安装平台淹没空化喷嘴，包括桩底板、低压冲桩水管、高压冲桩水管、淹没空化喷嘴、喷嘴轴套、喷嘴保护罩，喷嘴保护罩与桩底板一侧面连接，两者之间构成一个腔体，喷嘴轴套的外周面上间隔均布安装有多个淹没空化喷嘴，构成的整体置于腔体中并与喷嘴保护罩的内壁固定，高压冲桩水管自桩底板另一侧面穿入至与喷嘴轴套的内环连通，低压冲桩水管在高压冲桩水管的相对两侧分别间隔设有一个，自桩底板另一侧面穿入至与喷嘴轴套和喷嘴保护罩之间的低压水槽连通，淹没空化喷嘴包括内喷嘴、外喷嘴。
7.进一步的，内喷嘴的一头外凸，外喷嘴的一头内凹，内喷嘴与外喷嘴螺纹连接，使淹没空化喷嘴呈柱形结构，两者的凸部和凹部间隔相对，使淹没空化喷嘴内部形成汇流槽，内喷嘴的一端与喷嘴轴套连接。
8.最佳的，外喷嘴的外周壁上至少间隔开设有两个流通孔，流通孔连通低压水槽和汇流槽。
9.最佳的，内喷嘴的中部设有贯通的高压水通道，外喷嘴的中部设有贯通的汇流通道，高压水通道与汇流通道同轴连通。
10.进一步的，喷嘴保护罩的外周面上开设有与多个淹没空化喷嘴一一对应的出水喷口，高压水通道连通喷嘴轴套的内环和汇流槽，汇流通道连通汇流槽和出水喷口。
11.最佳的，出水喷口为锥形通孔。
12.进一步的，淹没空化喷嘴一端的外周面上设有外螺纹，喷嘴轴套的周壁上对应开设有螺纹孔，淹没空化喷嘴与喷嘴轴套螺纹连接。
13.进一步的，喷嘴轴套的外轮廓为正八边形，其每个侧面的中部安装有一个淹没空化喷嘴，喷嘴保护罩内部设有与喷嘴轴套结构匹配的正八边形内壁，正八边形内壁的底边沿为外凸的翻边，正八边形内壁高度与喷嘴轴套高度相等，使喷嘴轴套在桩底板与喷嘴保护罩之间压紧。
14.一种上述的坐底式风电安装平台淹没空化喷嘴的设计方法，包括以下步骤：
15.(一)定义外喷嘴的内凹面截面为e1，e1为两轴对称的椭圆部分曲线组成，内喷嘴的外凸面截面为e2，e2由同一椭圆曲线不同椭圆弧段组合而成，外喷嘴出水口内壁截面为r1，r1同样是为轴对称的圆弧组成；
16.(二)截面e1，e2，r1曲线设计计算：
17.步骤一：设外喷嘴的长度为l1，内喷嘴椭圆弧段长度为l2，外喷嘴圆弧段出口直径为d1，外喷嘴椭圆弧段出口直径为d2，外喷嘴低压水入口直径为d3，外喷嘴的入口直径为d4，内喷嘴的入口直径为d5，圆弧段出口长度为t1，内外喷嘴螺纹配合处长度为t2；
18.步骤二：对于外喷嘴出口圆弧段r1计算，公式如下：
19.曲线半径关系式
20.上半圆弧计算公式：
21.下半圆弧计算公式
22.步骤三：对于内喷嘴外壁面截面椭圆弧段e2计算，公式如下：
[0023][0024]
步骤四：对于外喷嘴外壁面截面椭圆弧段e1计算，其中上半椭圆弧段，由倾斜角度为θ椭圆弧段构成，公式如下：
[0025][0026]
对于上半椭圆弧段计算，公式如下：
[0027]
[0028][0029]
由于椭圆弧过点
[0030]
其中，
[0031]
同理得到下半椭圆弧段计算办法如下：
[0032][0033][0034]
由于椭圆弧过点
[0035]
其中，
[0036]
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
[0037]
(1)不再依赖消防水和压缩空气进行冲喷，该设备对冲桩介质无要求，可以就地取材使用海水进行冲桩即可，可以极大的降低冲桩成本。
[0038]
(2)利用空化溃灭产生的巨大能量用到冲桩系统中，可以极大的降低高压水的供给压力，从而实现更好的冲桩效果。
[0039]
(3)利用人工淹没空化喷嘴和喷嘴保护罩的锥形孔的设计，增加了空泡溃灭的靶距，加强了空泡生长阶段，使得空化效果更好，空化的冲蚀效果更强。
[0040]
(4)利用特殊的椭圆曲线段和圆弧段，设计了外喷嘴的内壁与出口以及内喷嘴的外壁，从而降低了低压水的供给压力和空化生长阶段空泡的损失以及降低空泡在喷嘴内壁溃灭从而破坏喷嘴内壁。
附图说明
[0041]
图1为本发明拆分结构示意图；
[0042]
图2为本发明组合结构示意图；
[0043]
图3为桩底板及管路布局图；
[0044]
图4为喷嘴轴套结构示意图；
[0045]
图5为淹没空化喷嘴与喷嘴轴套组合的结构示意图；
[0046]
图6为淹没空化喷嘴的结构示意图；
[0047]
图7为喷嘴保护罩的结构示意图；
[0048]
图8为图6的b-b截面的结构示意图；
[0049]
图9为图6中b-b截面曲线设计计算示意图；
[0050]
图10为图6中b-b截面内壁面曲线e1计算办法示意图；
[0051]
图11为本发明工作过程原理图。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0053]
一种坐底式风电安装平台淹没空化喷嘴，如图1～7所示，包括桩底板1、低压冲桩水管2、高压冲桩水管3、淹没空化喷嘴4、喷嘴轴套5、喷嘴保护罩6。
[0054]
喷嘴保护罩6与桩底板1一侧面连接，两者之间构成一个腔体，喷嘴轴套5的外周面上间隔均布安装有多个淹没空化喷嘴4，构成的整体置于腔体中并与喷嘴保护罩6的内壁固定，喷嘴轴套5的外轮廓为正八边形，其每个侧面的中部安装有一个淹没空化喷嘴4，喷嘴保护罩6内部设有与喷嘴轴套5结构匹配的正八边形内壁，正八边形内壁的底边沿为外凸的翻边，正八边形内壁高度与喷嘴轴套5高度相等，使喷嘴轴套5在桩底板1与喷嘴保护罩6之间压紧。
[0055]
高压冲桩水管3自桩底板1另一侧面穿入至与喷嘴轴套5的内环连通，低压冲桩水管2在高压冲桩水管3的相对两侧分别间隔设有一个，自桩底板1另一侧面穿入至与喷嘴轴套5和喷嘴保护罩7之间形成的低压水槽8连通，淹没空化喷嘴4包括内喷嘴41、外喷嘴42，内喷嘴41的一头外凸，外喷嘴42的一头内凹，内喷嘴41与外喷嘴42螺纹连接，使淹没空化喷嘴4呈柱形结构，两者的凸部和凹部间隔相对，使淹没空化喷嘴4内部形成汇流槽，内喷嘴41的一端的外周面上设有外螺纹，喷嘴轴套5的周壁上对应开设有螺纹孔，淹没空化喷嘴4与喷嘴轴套5螺纹连接。
[0056]
外喷嘴42的外周壁上至少间隔开设有两个流通孔，流通孔连通低压水槽8和汇流槽，内喷嘴41的中部设有贯通的高压水通道，外喷嘴42的中部设有贯通的汇流通道，高压水通道与汇流通道同轴连通，喷嘴保护罩6的外周面上开设有与多个淹没空化喷嘴4一一对应的出水喷口，高压水通道连通喷嘴轴套5的内环和汇流槽，汇流通道连通汇流槽和出水喷口，出水喷口为锥形，喷嘴保护罩5有三点作用，其一，保护淹没空化喷嘴4及喷嘴轴套5免受破坏；其二，防止淤泥进入管道造成堵塞；其三，锥形出口增加冲蚀靶距，使得空泡能够进一步生长，这样对周围淤泥的冲蚀能力能够得到进一步的加强。
[0057]
两根低压冲桩水管和一根高压冲桩水管分别供给低压水和高压水，其中高压冲桩水管的高压水进入喷嘴轴套内部，为内喷嘴供给高压水，而低压冲桩水管的低压水进入喷嘴轴套与喷嘴保护罩之间的低压水槽，为外喷嘴供给低压水。
[0058]
上述的坐底式风电安装平台淹没空化喷嘴的设计方法，如图8～11所示，包括以下步骤：
[0059]
(一)定义外喷嘴的内凹面截面为e1，e1为两轴对称的椭圆部分曲线组成，内喷嘴的外凸面截面为e2，e2由同一椭圆曲线不同椭圆弧段组合而成，外喷嘴出水口内壁截面为r1，
r1同样是为轴对称的圆弧组成；
[0060]
(二)截面e1，e2，r1曲线设计计算：
[0061]
步骤一：设外喷嘴的长度为l1，内喷嘴椭圆弧段长度为l2，外喷嘴圆弧段出口直径为d1，外喷嘴椭圆弧段出口直径为d2，外喷嘴低压水入口直径为d3，外喷嘴的入口直径为d4，内喷嘴的入口直径为d5，圆弧段出口长度为t1，内外喷嘴螺纹配合处长度为t2；
[0062]
步骤二：对于外喷嘴出口圆弧段r1计算，公式如下：
[0063]
曲线半径关系式
[0064]
上半圆弧计算公式：
[0065]
下半圆弧计算公式
[0066]
这种圆弧r1段结构的出水口流道，避免喷嘴在气泡生长段与喷嘴出口相撞溃灭，对喷嘴寿命产生影响。
[0067]
步骤三：对于内喷嘴外壁面截面椭圆弧段e2计算，公式如下：
[0068][0069]
步骤四：对于外喷嘴外壁面截面椭圆弧段e1计算，其中上半椭圆弧段，由倾斜角度为θ椭圆弧段构成，公式如下：
[0070][0071]
对于上半椭圆弧段计算，公式如下：
[0072][0073][0074]
由于椭圆弧过点
[0075]
其中，
[0076]
同理得到下半椭圆弧段计算办法如下：
[0077]
[0078][0079]
由于椭圆弧过点
[0080]
其中，
[0081]
由内喷嘴外壁面截面椭圆弧段曲线e2与外喷嘴内壁面截面椭圆段曲线e1构成的低压水流道，不仅降低了低压水的流速损失而且两种椭圆段配合的低压水收缩加速区使得低压水有更进一步的加速效果，降低了低压水的供给压力，从而减少了成本的投入。
[0082]
如图11为本发明的工作过程原理图，高压水通过高压冲桩水管进入到高压水槽9，从内喷嘴的入口进入，同时低压水通过低压冲桩水管进入低压水槽8，从外喷嘴表面的两个孔口进入。当高压水流过内喷嘴收缩断面时，流速增加，流体内部压力降低，从而产生上游空化区10，随之流体跟产生的微量气泡随着流体流动进入高压水收缩加速区11，使得流体速度增加，内部压力进一步降低，随之流体进入内喷嘴扩张段，空泡在内喷嘴内壁面下游空化区12急剧发育生长成型，从而形成的高速射流和气泡流出内喷嘴与外喷嘴通过低压水收缩加速区13加速的低速环形水流之间的剪切进一步使得空泡初生、生长增强了射流的冲蚀能力。通过喷嘴保护罩的锥形出口射出，使得射流冲击到淤泥上引起空蚀破坏，以达到冲刷效果。
[0083]
对于图11原理图中的高压水管的喷冲压力的大小，在于是否达到了使该淹没空化喷嘴产生空化效果。而空化产生的条件一般由空化数来判断，其中p1为喷嘴上游压力，p2为喷嘴下游压力，pv为水的饱和蒸汽压,由于p1》》p2》》pv，简化方程式如下所示：
[0084][0085]
一般认为，空化数小于等于1就能产生空化，而当空化数小于等于0.5的时候，是必然会产生稳定的空化。由于坐底式安装平台入海深度最深为50米，所以喷嘴下游压力约为5个标准大气压即0.5mpa，所以结合公式就可以得到只要高压水的冲桩压力大于1mpa就可以实现稳定的空化效果，所需的压力是低于一般水射流进行冲桩的需求。