專利名稱：具有改進噴射質量的浮動頭反作用渦輪轉子的制作方法
相關申請本申請基于已有的同時待審的臨時申請，該臨時申請的序列號為No.60/640,742，于2004年12月30日提交，依據(jù)35U.S.C.§119(e)的規(guī)定要求該提交日的權益。該申請也是基于現(xiàn)有同時待審的常規(guī)申請的部分繼續(xù)申請，該常規(guī)申請的序列號為No.10/990,757，于2004年11月17日提交，依據(jù)35U.S.C.§120的規(guī)定要求該提交日的權益。
背景技術：
旋轉噴射裝置通常用于從采油管和采氣管中清除垢層或其他沉積物。這些裝置還用來鉆掘土壤層和巖石層。在諸如深井作業(yè)的水下應用中，有效噴射范圍受到湍流耗散的嚴格限制。噴口必須位于距轉動軸的很大的角度處以將噴口和結構層之間的噴距(standoff distance)減到最小。需要多個噴孔以確保通過減少了的水下噴射范圍清理所述裝置前的所有結構層。必須設置過中心噴口(over-center jet)，使得其軸與所述裝置的轉動軸相交。噴射質量也是重要的，尤其在較硬的結構層中。大逆流沉降腔(upstreamsettling chamber)和錐形吸入噴嘴通過減少了的進入湍流提高噴射質量。期望旋轉噴射裝置盡可能的短和緊湊以使得所述裝置能夠穿過管道中的較小的半徑彎曲(tight radius bend)，或者從井穿過短半徑橫向出射窗(shortradius lateral exit window)。在這些應用中，所述裝置可以裝配在柔性軟管(flexible hose)上。最后，需要在所述裝置上設置速度調節(jié)件以防止失控。不幸地是，緊湊的設計要求與以上確定的其他要求相沖突。
旋轉噴射裝置可以利用外部馬達來提供旋轉，或者轉子可以自轉。自轉系統(tǒng)很大程度地簡化了所述裝置的操作并減小了所述操作的尺寸。在典型的自轉系統(tǒng)中，射流隨著運動的切線分量排出，該運動提供轉動轉子所必需的扭矩。大部分自轉系統(tǒng)利用滑動式密封和支承軸承(sliding seal andsupport bearing)來使工作頭(working head)轉動。與該結構有關的缺點在于由工作射流(working jet)產(chǎn)生的扭矩必須是足夠大的，以克服靜壓軸承和密封摩擦。軸承和密封的動摩擦通常低于靜摩擦，所以轉子可以超速自轉，這樣可能引起過熱或者軸承失效。大部分自轉噴射系統(tǒng)還包括止推軸承，這樣的軸承易受高負載，并且在轉動速度過高時會失效。
液體動壓軸承(hydrodynamic journal bearing)依賴于流體薄膜，這個流體薄膜通過流體動力支承轉動軸?；瑒虞S承不能支持縱向或徑向負荷，但是在高速時是有效的-其中高速時流體動力升力最大。可以用平衡或者浮動的轉子設計消除縱向負荷。轉軸由相對的徑向間隙密封(radial clearanceseal)支承，該徑向間隙密封還充當液體動壓軸承。如果轉子的兩末端上的軸徑相同，那么因為流體的內(nèi)部壓力，不會存在推力。Schmidt(美國專利No.4,440,242)和Ellis(美國專利No.5,685,487)利用這種方法提供了自轉噴口(self-rotating jet)。在這兩個專利中，工作流體通過交叉的孔從轉軸的切向表面處引入到轉子的中心。該結構的缺點在于與轉子的密封半徑相比，流體沉降腔小。而且，必須從轉子的外側鉆進形成噴嘴的噴口，并且噴口不會產(chǎn)生優(yōu)質的射流。最后，射流在距所述裝置軸線的相對小的出口半徑和小角度處排出，因而所述裝置的遠射量程相當?shù)拇?。在Schmidt專利中，提供了一種單獨的轉子頭，該轉子頭遠遠伸出軸向平衡部分。該轉子頭可以被制作的相當?shù)拇笠赃m應期望的噴口樣式，但是這種方法不能夠滿足緊湊裝置的要求。
對于巖石的有效噴射侵蝕鉆孔來說，向心軸承轉子的轉動速度可能太高。速度調節(jié)機構可以基本上改善噴射性能。包括機械的、粘性的以及磁性的制動件的機構已經(jīng)被用于調節(jié)噴射轉子速度。這些機構通常是比較長和復雜的。因此，期望在轉子中包括簡單的、緊湊的速度調節(jié)裝置。
噴射鉆轉子(jet drilling rotor)的一個重要應用包括鉆短半徑孔。這種應用所要求的噴射轉子必須盡可能的短以使得裝置能夠處理小轉角和短半徑彎曲。因此，期望提供一種具有多個噴口的緊湊噴射轉子，定位為(1)產(chǎn)生足夠的扭矩以可靠地啟動轉子；(2)確保高效地鉆進；以及(3)消除徑向軸承上可能引起磨損的側向力。為了提供可能的最好的噴射性能，進一步期望，提供一種在噴射轉子中包括相對大的內(nèi)部流通通道的緊湊的噴射轉子，以最小化逆流湍流和壓力損耗。還期望提供包括整體的且緊湊的速度調節(jié)制動件的緊湊噴射轉子。最后，期望提供一種在設計中具有足夠精度的包括耐磨材料的緊湊噴射轉子，以使可靠的制備和性能成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
這里詳細公開的包括壓力平衡轉子(pressure balanced rotor)的示意性旋轉噴射裝置是通過結合壓力平衡容積(pressure balance volume)而獲得的，該壓力平衡容積由轉子和外罩界定。轉子被配置成即相對于外罩轉動，也相對于外罩軸向運動。轉子包括位于遠端的至少一個噴嘴，該噴嘴被配置成排放加壓流體(pressurized fluid)，從而給予轉子轉動力。旋轉噴射裝置被配置成連接到鉆柱(drill string)或者柔性導管(例如，螺旋管)的遠端，其被配置成從加壓流體源輸送加壓流體。當加壓流體被引入所述裝置時，一部分加壓流體從所述至少一個噴嘴中排出，從而引起轉子開始轉動，還引起轉子在與流體從所述至少一個噴嘴排出的方向大體相反的方向上相對于外罩軸向運動。轉子的這個初始軸向運動減小了壓力平衡容積的尺寸。一部分加壓流體還被引入壓力平衡容積。優(yōu)選地，旋轉噴射裝置包括多個徑向間隙密封，并且通過流體滲漏通過這些間隙密封中的至少一個，加壓流體被引入壓力平衡容積中。當壓力平衡容積填充有加壓流體時，將給予轉子軸向運動(現(xiàn)在，在與由所述至少一個噴嘴排出的流體射流給予的軸向運動相比相反的方向上)，從而引起壓力平衡容積的尺寸增加。旋轉噴射裝置包括排放口(vent)，根據(jù)轉子的軸向位置，排放口選擇性地使壓力平衡容積與周圍容積流體連通。隨著壓力平衡容積尺寸的增加，轉子的軸向運行打開排放口，從而使得壓力平衡容積與周圍容積流體連通。因而，引入壓力平衡容積的附加的流體將通過排放口排出，并且不會給予轉子附加的軸向運動。
此時，轉子是壓力平衡的，由壓力平衡容積中的加壓流體施加在轉子上的“向下”的壓力基本上抵消了由所述至少一個噴嘴排出的加壓流體射流施加在轉子上的“向上”的壓力。(貫穿本公開所使用的術語“向下”和“向上”是參照附圖中所示出的方向的，并不能被解釋為絕對方向或者解釋為以任何方式對本技術申請的限制。)如以下更加詳細的描述，可以利用徑向間隙密封的相對直徑來促使以上提及的壓力平衡條件的實現(xiàn)。
優(yōu)選地，加壓流體經(jīng)轉子的近端處的入口引入轉子，使得當加壓流體進入轉子時，加壓流體相對于轉子同軸地移動(基于轉子的軸線通過轉子的遠端和近端)。該流動因此可以被認為是軸向流動。這樣的軸向流動設置使裝置能夠比較緊湊。此外，與沒有呈現(xiàn)出這種軸向流動設置的裝置所包括的沉降容積(settlihg volume)相比，該設置使得相對較大的沉降容積能夠被包括在轉子中。通過減少入口湍流，相對較大的沉降容積提高了噴射質量。
在至少一個示意性實施方式中，第二壓力平衡容積設置在鄰近轉子的遠端處，并且在這樣的實施方式中，裝置被配置成使得當轉子的軸向位置使壓力平衡容積與周圍容積流體連通時，由壓力平衡容積中的加壓流體施加在轉子上的“向下”的壓力基本上抵消由所述至少一個噴嘴釋放的加壓流體射流施加在轉子上的“向上”的壓力和由第二壓力平衡容積中的加壓流體施加在轉子上的“向上”的壓力。
這里所公開的旋轉噴射裝置的另一實施方式包括離心制動件，該離心制動件被配置成限制轉子的最大轉動速度。離心制動件設置在轉子的近端和遠端之間，使得可以實現(xiàn)緊湊的旋轉噴射裝置?？梢酝ㄟ^在轉子中形成容納制動塊(braking mass)的凹處來實施離心制動件，制動塊將摩擦嚙合外罩以響應轉子漸增的轉動速度。在一個實施方式中，外罩的遠端部分是錐形的，并且錐形筒(tapered cartridge)嚙合外罩的錐形部分，從而制動塊摩擦嚙合錐形筒。優(yōu)選地，制動塊和錐形筒利用超硬和耐磨材料實現(xiàn)。
該

發(fā)明內(nèi)容
以簡要形式介紹了一些概念，將在說明書中進一步詳細描述這些概念。然而，并不是要用該發(fā)明內(nèi)容來確定所要求主題的要點和特征，也不是要用該發(fā)明內(nèi)容來輔助確定所要求主題的范圍。


當結合附圖時，一個或更多個示意性實施方式的各個方面和隨之的優(yōu)點及其修改將變得更易于理解，同樣，通過參照下列詳細描述將變得更好理解，其中圖1是包括通氣式壓力平衡腔的旋轉噴射裝置的橫截面?zhèn)纫晥D，所述通氣式壓力平衡腔被配置成使轉子能夠獲得壓力平衡條件；圖2是轉子的自由體示意圖，示意性地示出了在垂直方向上作用于轉子的力(其中，這里使用的和貫穿本公開使用的“垂直”是參照該附圖中示出的方向的，而不能被解釋為絕對方向或者限制隨后的概念的范圍)；圖3是包括壓力平衡轉子和整體式離心制動件(integral centrifugalbrake)的旋轉噴射裝置的第一優(yōu)選實施方式的遠端視圖；圖4A是沿圖3的剖面線4A-4A的圖3的旋轉噴射裝置的橫截面?zhèn)纫晥D，示出了與加壓流體流過噴射裝置有關的細節(jié)；圖4B是沿圖3的剖面線4B-4B的圖3的旋轉噴射裝置的橫截面?zhèn)纫晥D，示出了與整體式離心制動件有關的細節(jié)；圖5是包括壓力平衡轉子和整體式離心制動件的旋轉噴射裝置的第二優(yōu)選實施方式的遠端視圖；圖6A是沿圖5的剖面線6A-6A的圖5的旋轉噴射裝置的橫截面?zhèn)纫晥D，示出了與加壓液體流過噴射裝置、錐形外罩以及錐形筒有關的細節(jié)；以及圖6B是沿圖5的剖面線6B-6B的圖5的旋轉噴射裝置的橫截面?zhèn)纫晥D，示出了與整體式離心制動件、錐形外罩以及錐形筒有關的細節(jié)。
具體實施例方式
附圖和公開的實施方式不是限制性的參照附圖描述了示意性實施方式。這里公開的實施方式和附圖應被認為是示意性的，而不是限制性的。
參照圖1，示出了包括壓力平衡轉子的旋轉噴射裝置(或組件)。該裝置包括兩個主要構件，轉子1和外罩2。轉子1設置在外罩2中，并且外罩包括壓力腔3(pressure chamber)(能夠承受系統(tǒng)的額定運行壓力)。轉子1被配置成獨立于外罩2轉動。此外，如以下更詳細的討論，轉子1可相對于外罩2軸向運動。加壓流體通過入口4在外罩2的近端(proximalend)進入，并且通過在轉子1中形成的一個或更多個通道5傳輸。這樣的軸向流動設置允許使用轉子中的短且相對大直徑的通道(即，通道5)，這樣的通道造成可以忽略的節(jié)流(flow restriction)。很多現(xiàn)有技術的旋轉噴射裝置應用小的流體通道，產(chǎn)生了顯著降低裝置的水力效率的顯著節(jié)流。
流體通過一個或更多個噴嘴6加速，并且作為流體射流7從轉子的遠端噴出。圖1清楚地示出了一種收斂形噴嘴(convergent nozzle)，可以有利地用于不可壓縮的流體，諸如，水。然而，收斂擴散形噴嘴(convergent-divergent nozzle)也可以有利地用于不可壓縮的流體，例如，超臨界二氧化碳、氮或者氣體和水的混合物。定位和定向噴嘴6，使得由噴嘴噴出的射流的反作用力產(chǎn)生圍繞轉子的轉動中心的扭矩，從而將轉動力施加給轉子。通常，旋轉噴射裝置設置在鉆柱或者盤管組件(coiled tubeassembly)的遠端。重要的是，旋轉噴射裝置的軸向流動設計使得可以獲得緊湊的噴射裝置，使這樣的旋轉噴射裝置非常適于鉆短半徑孔。然而，應該認識到，這種用法是示意性的，而不是限制本技術的范圍。
在旋轉噴射裝置中存在三個徑向間隙密封表面，包括入口密封8、出口密封9以及主體密封10。利用轉軸和外罩內(nèi)徑之間的小間隙實現(xiàn)密封，使得與噴嘴噴出的流體的量相比，通過該間隙的流體的量是小的。
在至少一個示意性實施方式中，將諸如硬質合金(cemented carbide)的超硬材料用于每一個密封表面。這樣的材料通常具有相對低的摩擦系數(shù)并且提供較好的耐磨損性。可選地，可以使用其他形式的超硬材料，例如，多晶金剛石(polycrystalline diamond)、火焰噴涂碳化物(Flame SprayedCarbide)、金剛砂、立方氮化硼以及無定形類金剛石涂層(ADLC)。優(yōu)選地，對于每對相對的密封表面，利用不同的超硬材料實現(xiàn)每個密封表面，本領域的技術人員應該認識到，這能提供減少的摩擦。然而，應該認識到，使用這樣的超硬材料只是示意性的，而不是限制本文中所描述的技術的范圍。
應該認識到，因為流體射流產(chǎn)生的扭矩比較低，所以旋轉噴射裝置通常需要某些結構來最小化轉動轉子所需的扭矩。在本文公開的旋轉噴射裝置的上下文中，被引入徑向間隙密封中的流體起到液體動壓軸承的作用，顯著地減少了作用在旋轉噴射裝置轉子上的摩擦力。如以下更詳細的描述，通過以上所述的徑向間隙密封滲漏的流體還將滲漏進近端容積11a和遠端容積11b中。如以下更詳細的描述，近端容積11a被特別配置成使轉子1能夠在旋轉噴射裝置運行期間獲得壓力平衡條件。
入口密封8的投影面積乘以系統(tǒng)壓強產(chǎn)生作用在轉子上的“向下”的力。主體密封10和入口密封8之間的環(huán)形區(qū)形成近端容積11a，充當壓力平衡腔。壓力平衡腔的投影面積乘以壓力平衡腔中的壓強產(chǎn)生作用在轉子上的“向下”的力。(再次，這里和貫穿本公開所使用的術語“向下”和“向上”是參照附圖中所示出的方向的，并且不能被解釋為絕對方向或者解釋為對所公開的概念的限制；進一步地，應該認識到，術語“向下”是指與從入口4向噴嘴6的運動一致的方向，而術語“向上”是指與從噴嘴6向入口4的運動一致的方向。)主體密封10和出口密封9之間的壓力腔的環(huán)形面積乘以系統(tǒng)壓強產(chǎn)生作用在轉子上的“向上”的力。作用在出口密封9的投影面積上的環(huán)境壓強乘以出口密封9的投影響面積產(chǎn)生轉子上的“向上”的力。重要的是，入口密封8、出口密封9以及主體密封10的直徑被選擇成能平衡轉子上的向上和向下的壓力。具有泄放通道(bleed passage)12的環(huán)狀平衡槽17位于壓力腔3中，并且可以選擇性地設置成與壓力平衡腔流體連通，使得當轉子處于它的最高行程時，壓力平衡腔(近端容積11a)中的流體不能通過泄放通道12溢出，并使得當轉子向下運動時，液體可以從壓力平衡腔(近端容積11a)中溢出。運行期間，流體通過入口密封8進入壓力平衡腔(近端容積11a)，使得壓力平衡腔中的壓力一直增加直到轉子被迫向下運動，從而增加了壓力平衡腔(近端容積11a)的尺寸。轉子的向下方向的這個軸向運動將會導致環(huán)狀平衡槽17暴露或者打開，從而使得泄放通道12與壓力平衡腔(近端容積11a)流體連通，這能起減低壓力平衡腔中的壓力的作用。轉子將獲得一個位置，在該位置中轉子上的壓力處于平衡狀態(tài)，并且轉子即不向上移動也不向下移動，從而得到壓力平衡條件。
以上描述的設計的一個優(yōu)點在于，在制備旋轉噴射裝置期間，對著噴嘴出口的一邊存在有噴嘴沉降腔13的入口(access)。這個入口使得可以為噴嘴產(chǎn)生比較大的沉降腔和合適的入口幾何形狀。
圖1中的箭頭30旨在表示軸向流動。圖1中示出的(以及以上所述的)旋轉噴射裝置的一個重要方面在于導入轉子的加壓流體流是以軸向形式導入的。注意，轉子1的通道5代表與入口4流體連通連接的軸向容積，從而進入入口4和通道5的流體維持基本的軸向流動。很多其他噴射裝置包括設置在配置成容納加壓流體的外罩入口和轉子內(nèi)的內(nèi)部容積間之間的結構(例如密封裝置或塞子)，這些裝置需要導流通道(diversion passage)以將加壓流體導入轉子的內(nèi)部容積中。這些導流通道干擾了圖1中所示的軸向流動。軸向流動設置提供了很多益處。主要的益處在于通過提供小的、相對開放的軸向流通通道使入口節(jié)流減到了最小?？梢詫⑴渲贸色@得軸向流動的旋轉噴射裝置制備的更加緊湊(即，與包括以上描述的導流通道的傳統(tǒng)旋轉噴射裝置相比，這樣的旋轉噴射裝置通常呈現(xiàn)出基本更加緊湊的結構因素(form factor))。此外，這里所述的軸向流動設置使旋轉噴射裝置能夠包括與轉子的密封(即，徑向間隙密封8、9和10)直徑相比相對大些的流體沉降腔(即，沉降腔13)。相反，包括以上提及的流體導流結構的旋轉噴射裝置通常包括與轉子的密封直徑相比相對小些的沉降腔。如上所述，較大的沉降腔提高了從旋轉噴射裝置中噴出的射流的質量。
以上討論的軸向流動設置提供的再一益處在于，可以容易地利用轉子的近端來連接到動力輸出裝置(power takeoff)(即，可以將需要轉動的機構連接至轉子的近端)。這個(轉動)能量可以用于多種目的，例如，用于機械加工或者發(fā)電，并且還可以連接至裝配在旋轉噴射裝置壓力腔的外部的制動機構。
如上所述，轉子上作用有許多液壓力(hydraulic force)。圖2示意性地示出了這些液壓力，與諸如重力或加速度等其他力相比較，這些力相對要大些，從而在以下的分析中，可以容易地忽略這些其他的力。對垂直方向的力求和得到了以下關系式Pa*A3+P0*(A2-A3)+Fj-Pb*(A2-A1)-P0*A1＝0(1)
其中Fj是射流反作用力(jet reaction force)的垂直分量；P0是對轉子組件的入口壓強；Pa是轉子組件周圍的環(huán)境壓強(ambient pressure)；Pb是壓力平衡腔(即，近端容積11a)中的壓強；D1和A1是入口密封8的有效密封直徑和面積；D2和A2是主體密封10的有效密封直徑和面積；D3和A3是出口密封9的有效密封直徑和面積。
該分析中的面積和直徑僅僅是密封的有效密封直徑和面積。假設所有壓力都相對Pa表示、設定，則力平衡方程簡化為Pb=[P0*(A2-A1-A3)+Fj](A2-A1)---(2)]]>流體射流的反作用力與通過噴嘴的壓降(P0)和噴嘴面積(Aj)成比例。因此，該關系式可以表示如下Fj＝K*P0*Aj(3)其中，K為常數(shù)。將等式3代進等式2，產(chǎn)生下式Pb=[P0*(A2-A1-A3+K*Aj)](A2-A1)---(4)]]>式(4)確定了壓力平衡條件。對該等式的分析展示了幾種見解。首先，對于給定的幾何形狀，壓力平衡腔(近端容積11a)中的壓力與入口壓力成比例。噴嘴尺寸或者噴嘴面積的增加成比例地增加壓力平衡腔中的壓力。注意，A2-A1是壓力平衡腔(近端容積11a)的投影面積，如果A2-A1大于A3，那么壓力平衡腔中的壓力將總是為正的，包括射流反作用力為0時。在設計入口、主體以及出口密封直徑時，這樣的考慮是重要的，因為要想獲得轉子的期望的浮動或者壓力平衡，需要壓力平衡腔中的正壓力。以上關系式可以被用來簡化以上所討論的徑向間隙密封的適當尺寸的選擇。實際上，D2由壓力外罩尺寸界定；盡可能大地選擇D3，與尺寸D1一致，使得由通道5引起的節(jié)流產(chǎn)生的壓力差相對于工作壓力要小些(即，小于大約10％，并且更優(yōu)選地小于大約1％或者更少)。重要的是，與每個噴嘴6的累計面積(cumulative area)相比，每個通道5的累計面積相當?shù)拇?。?yōu)選地，通道5和噴嘴6的流通面積(flow area)比例將是大約10∶1。即，優(yōu)選地，通道5的累計面積會是噴嘴6的累計面積的大約10倍。因此，如果實現(xiàn)了兩個噴嘴，每個具有相同的流通面積，(即，每個噴嘴在其最小直徑處，通常在出口處具有相同的橫截面面積)，并且使用了將轉子入口連接至兩個噴嘴的一個流通通道，那么，與兩個噴嘴的累計流通面積相比，所述一個流通通道的流通面積(即，流通通道的最小直徑處的橫截面積)將會相對大些。在一個特別優(yōu)選實施方式中，所有流量通道(那些將轉子入口連接至噴嘴的通道)的累計流通面積是噴嘴的累計流通面積的大約10倍。然而，這個數(shù)字只是示意性的，因為，在這種通道的累計流通面積大于噴嘴的累計流通過面積，但并不是10倍大的情況下，也可以實現(xiàn)有利的裝置。
本文公開的另一概念是其中在轉子主體區(qū)域內(nèi)結合了制動機構的旋轉噴射裝置。如果旋轉噴射裝置的轉軸被允許在全壓力(full pressure)下無限制地轉動，那么轉動速度將會非常的高，引起密封構件的過度磨損。用于鉆削應用中的旋轉噴射裝置通常具有連接到旋轉噴射裝置的近端的制動模塊，其位于鉆柱之間并位于旋轉噴射裝置上。當實施了這樣的制動模塊時，這些制動模塊相當大地增加了設置在鉆柱的遠端處的設備的長度(即，制動模塊和旋轉噴射裝置的組合明顯地長于單獨的旋轉噴射裝置)。本文公開的是一種包括整體式制動件的旋轉噴射裝置(即，制動機構設置在旋轉噴射裝置轉子的遠端和近端之間)，使得能夠實現(xiàn)具有制動能力的更加緊湊的旋轉噴射裝置。當整體式制動件被結合在包括以上有關圖1所述的軸向流通的旋轉噴射裝置中時，就可以實現(xiàn)緊湊的并且能自動制動的旋轉噴射裝置。盡管在特別優(yōu)選實施方式中，整體式制動件和壓力平衡轉子被實施在單個的旋轉噴射裝置中，但是應該認識到，可以通過應用本文所描述的方法，將任一概念(即，壓力平衡轉子或者具有整體式制動件的轉子)單獨地實施在旋轉噴射裝置中。因此，包括這兩個概念的旋轉噴射裝置只是示意性的，而不是限制本公開。
優(yōu)選地，整體式制動機構包括離心致動的機械摩擦制動件(centrifugally actuated mechanical friction brake)。然而，應該理解，可以使用很多可供選擇的制動機構來代替。一些可能的可供選擇的制動機構包括，但不限于，基于磁性的、粘性流體的以及流體動力的制動機構。
圖3、4A和4B示出了包括與轉子成為整體的制動機構的旋轉噴射裝置的第一實施方式。圖4B中的制動機構本身是最明顯的。圖3、4A和4B的旋轉噴射裝置有益地包括以上所討論的壓力平衡轉子；但是，本領域的技術人員應該認識到，可以在不包括以上描述的壓力平衡轉子的旋轉噴射裝置中實施整體式制動機構。轉子中的射流噴嘴(jet nozzle)之間的空間可以用于裝配制動結構。在一個優(yōu)選實施方式中，制動塊(brake shoe)被設置在凹處(pocket)里，從而離心力使得它們在壓力腔的內(nèi)表面(即，外罩的內(nèi)表面)上制動。當獲得緊湊的裝置尺寸是主要考慮因素時，這樣的結構尤其有用。
圖3是包括壓力平衡轉子和整體式離心制動件的旋轉噴射裝置的第一優(yōu)選實施方式的遠端視圖。圖4A是沿圖3的剖面線4A-4A的圖3的旋轉噴射裝置的橫截面?zhèn)纫晥D，示出了與加壓液體流過噴射裝置有關的細節(jié)，而圖4B是沿圖3的剖面線4B-4B的圖3的旋轉噴射裝置的橫截面?zhèn)纫晥D，示出了與整體式離心制動件有關的細節(jié)。在有關本示例性實施方式中，與以上所描述的附圖中的結構元件相同的結構零件的參考標記沒有發(fā)生變化。
參照圖3、4A和4B，轉子1設置在壓力腔3(由外罩2界定)內(nèi)，后部連接器(rear adaptor)14裝入外罩2。如以上所述的那樣選擇入口密封8、出口密封9以及主體密封10的直徑，以確保在轉子接近壓力平衡結構時，轉子的軸向位置開始暴露出(即，打開)環(huán)狀平衡槽17，使近端容積11a(壓力平衡腔)與泄放通道12流體連通。在這些條件下，導入壓力平衡腔的任何附加流體都將會排放至周圍容積。因此，當轉子1的近端邊緣向下移動通過環(huán)狀平衡槽17的上凸緣時，壓力平衡腔(即，近端容積11a)被抽成外部壓力，迫使轉子向上移動。當轉子1的近端邊緣移動回來通過環(huán)狀平衡槽17的上邊緣時，壓力平衡腔(即，近端容積11a)中的壓力增加，迫使轉子向下移動。與在實施泄放通道12時沒有使用環(huán)狀平衡槽17的情況相比，使用與泄放通道12連通的環(huán)狀平衡槽17能夠實現(xiàn)對于轉子1的軸向位置的更加精密的控制。
在該示意性實施方式中，轉子1包括兩個噴嘴6a和6b，分別噴出射流7a和7b。設置噴嘴6a，使得射流通過轉子的中心軸噴射，從而保證射流切削轉子前的材料。噴嘴6b設置在轉子1的暴露部分的周圍，并且形成角度，使得噴嘴6b的射流直接射到抗腐蝕性定位環(huán)(erosion resistantstandoff ring)18前面?？?opening)19被包括在外罩2中以使得切削過程中產(chǎn)生的碎片可以漏出。噴嘴6b的軸線偏離轉子1的軸線，使得射流反作用力在轉子上產(chǎn)生扭矩，引起轉子轉動。進一步地，噴嘴6b和6a的出射角(exit angle)和直徑相同，以抵消轉子1上的任何側向荷載。本領域中的技術人員應該認識到，通過噴射方向和直徑的適當組合，是有可能平衡來自任何數(shù)量的射流的側向荷載的。
在圖4b中所示的旋轉噴射裝置實施方式中，噴射轉子包括用于制動件20a和20b的凹處32a和32b，以調節(jié)轉子的轉動速度。制動件摩擦嚙合套筒(sleeve)15，套筒15由密封裝置(seal)16固定至外罩2?？梢允褂脝为毜奶淄?，或者可以實施單個環(huán)狀套筒。優(yōu)選地，制動件20a、20b以及套筒15由耐磨材料制成，例如，陶瓷或者硬質合金。由偏移射流(offsetjet)7b產(chǎn)生的扭矩是恒定的，而摩擦制動力隨著旋轉速度而增加。因此，轉子在恒定速度下旋轉，該恒定速度基本低于空載轉速(runaway speed)。
圖5、6A和6B中示出了包括與轉子連接為整體的制動機構的旋轉噴射裝置的第二示意性實施方式。盡管配置成摩擦嚙合與轉子連接為整體的制動元件的錐形筒元件在圖6A和6B中都是可見的，但是圖6B中的結合到轉子的制動元件是最明顯的。圖5、6A和6B的旋轉噴射裝置有益地包括以上討論的壓力平衡轉子；然而，本領域的技術人員應該認識到，可以在并不包括以上所述的壓力平衡轉子的旋轉噴射裝置中實施整體式制動機構。包括制動機構的旋轉噴射裝置的第二實施方式和以上討論的第一實施方式之間的主要差別在于錐形筒元件的結合，以下將更詳細地論述這一點。再一次，這樣的第二實施方式特別適于實現(xiàn)具有制動能力的緊湊的旋轉噴射裝置。
圖5是包括壓力平衡轉子和整體式離心制動件的旋轉噴射裝置的第二優(yōu)選實施方式的遠端視圖。圖6A是沿圖5的剖面線6A-6A的圖5的旋轉噴射裝置的橫截面?zhèn)纫晥D，示出了與加壓流體通過噴射裝置流通過有關的細節(jié)，而圖6B是沿圖5的剖面線6B-6B的圖5的旋轉噴射裝置的橫截面?zhèn)纫晥D，示出了與整體式離心制動件有關的細節(jié)。用于與之前描述的附圖中的一樣的結構元件的參考標記沒有發(fā)生變化。
和之前描述的實施方式相同，轉子1通過后部連接件14包含在壓力腔3中，后部連接件14裝入在外罩2中。如以上所討論的那樣選擇徑向間隙密封(入口密封8、出口密封9以及主體密封10)的直徑，以獲得壓力平衡條件，其中當轉子的軸向位置使得環(huán)狀平衡槽17和泄放通道12與壓力平衡容積(即，近端容積11a)流體連通時，作用在轉子上的液壓力被平衡。在該實施方式中，轉子1具有兩個噴嘴6a和6b，分別噴出射流7a和7b。設置噴嘴6a，使得射流通過轉子的中心軸噴射，從而保證射流能切削轉子前面的材料。噴嘴6b設置在轉子1的暴露部分的周圍，并且形成一定的角度，使得噴嘴的射流直接射到抗腐蝕性定位環(huán)18的前面?？?9被包括在外罩2中，以使得切削過程中產(chǎn)生的碎片可以漏出。噴嘴6b的軸線偏離轉子1的軸線，使得射流反作用力產(chǎn)生作用在轉子上的力，引起轉子旋轉。如同有關以上實施方式的討論，噴嘴6b和6a的出射角和直徑相同，以抵消轉子1上的任何側向荷載。噴射轉子包括用于離心制動件20a和20b的凹處32a和32b，以調節(jié)轉子的轉動速度。
在具有結合到轉子的制動元件的旋轉噴射裝置的第二優(yōu)選示意性實施方式中(即，圖5、6A和6B的實施方式)，制動元件摩擦嚙合錐形筒21，錐形筒21裝配在相應錐形成形的外罩2內(nèi)。優(yōu)選地，制動件20a和20b以及錐形筒21由耐磨材料制成，例如，陶瓷或者硬質合金。由偏移射流7b產(chǎn)生的扭矩是恒定的，而摩擦制動力隨著轉動速度而增加。轉子因而在恒定速度下旋轉，該恒定速度基本上低于空載轉速。通常如上所述的，錐形筒21包括泄放通道12、環(huán)狀平衡槽17、出口密封9以及主體密封10。后部連接件14包括流體聚集腔(fluid gathering chamber)24以及排放孔(vent hole)25，它們使得流體能被排放至周圍容積中。由耐磨材料構成的襯套(bushing)22和O形密封圈23設置在后部連接件14的凹處內(nèi)，O形密封圈23防止襯套周圍的泄露。襯套22提供入口密封8的外表面。襯套在軸向上自由地移動直到與錐形筒21嚙合。
錐形筒設計允許在制動件和密封裝置的滑動表面上使用耐磨材料。諸如硬質合金的耐磨材料通常不能提供所需要的適應射流鉆進所所需要的高內(nèi)壓的拉伸強度。作用在襯套22的后表面上的內(nèi)壓迫使襯套頂著錐形筒21。錐形的角度比較小，所以由襯套施加的力產(chǎn)生作用在錐形筒上的圓周壓應力，以及作用在外罩2上的拉伸應力，優(yōu)選地，外罩2由高拉伸強度材料構成，例如鋼。圓周壓應力平衡由錐形筒中的內(nèi)壓產(chǎn)生的拉伸應力。筒設計還使得徑向間隙密封9和10的表面可以在一套裝備中加工而成，以確保表面同心。
以上討論的實施方式的一些優(yōu)點包括使得以下內(nèi)容得以實現(xiàn)●短且緊湊的旋轉噴射裝置；●具有以裝置的規(guī)格為目的的噴口的旋轉噴射裝置；●包括錐形流體噴射入口以提供較好質量的流體射流的旋轉噴射裝置；●具有裝置入口和流體噴射出口之間最小的流阻的旋轉噴射裝置；●展示出所具有的流體入口直徑是裝置直徑的相當大百分比特征的旋轉噴射裝置。
盡管已經(jīng)結合實際應用的優(yōu)選形式及其修改對本發(fā)明進行了描述，但是本領域的普通技術人員應該理解，可以在所附權利要求的范圍內(nèi)對本發(fā)明進行很多其他的修改。因此，不希望以上描述以任何方式限制本發(fā)明的范圍，但是相反地，本發(fā)明的范圍完全是參照所附權利要求確定的。
權利要求
1.一種旋轉噴射裝置，其包括(a)外罩，其界定加壓流體的流體通路；(b)轉子，所述轉子的至少一部分同軸地設置在所述外罩中，所述轉子包括近端和遠端，所述轉子被配置成相對于所述外罩轉動和相對于所述外罩軸向運動，所述轉子包括(i)流體入口，其設置在所述轉子的所述近端，所述流體入口被配置成接納來自所述流體通路的所述加壓流體，使得當所述加壓流體進入所述轉子時，所述加壓流體的方向與所述轉子同軸；以及(ii)至少一個噴嘴，其設置在所述轉子的所述遠端附近，所述至少一個噴嘴連接成與所述流體入口流體連通，并且所述至少一個噴嘴被配置成排出所述加壓流體的射流，從而引起所述轉子相對于所述外罩轉動；(c)第一壓力平衡容積，其由所述外罩和所述轉子界定，所述第一壓力平衡容積設置在所述轉子的所述近端附近；以及(d)排放口，其被配置成根據(jù)所述轉子相對于所述外罩的軸向位置選擇性地使所述第一壓力平衡容積與周圍容積流體連通。
2.根據(jù)權利要求1所述的旋轉噴射裝置，還包括第二壓力平衡容積，其由所述外罩和所述轉子界定，所述第二壓力平衡容積設置在所述轉子的所述遠端附近。
3.根據(jù)權利要求2所述的旋轉噴射裝置，其中，所述轉子在以下位置密封地嚙合所述外罩(a)第一位置，其設置在所述第一壓力平衡容積的近端處；(b)第二位置，其設置在所述第一壓力平衡容積的遠端處和所述第二壓力平衡容積的近端處；(c)第三位置，其設置在所述第二壓力平衡容積的遠端處。
4.根據(jù)權利要求3所述的旋轉噴射裝置，其中，與所述第三位置有關的密封面積小于與所述第一位置有關的密封面積和與所述第二位置有關的密封面積之間的差。
5.根據(jù)權利要求3所述的旋轉噴射裝置，其中，與所述第一、第二和第三位置中的每一個有關的直徑被選擇成，使得當所述轉子相對于所述外罩的軸向位置是使所述第一壓力平衡容積與所述排放口流體連通的位置時，所述轉子經(jīng)歷平衡壓力條件。
6.根據(jù)權利要求1所述的旋轉噴射裝置，其中，所述至少一個噴嘴包括下列(a)和(b)中的至少一個(a)一個過中心噴口和多個偏移噴口；以及(b)至少一個過中心噴口和至少一個偏移噴口。
7.根據(jù)權利要求1所述的旋轉噴射裝置，其中，所述排放口包括環(huán)狀槽以及所述外罩中的至少一個孔，所述至少一個孔連接所述環(huán)狀槽以與周圍容積流體連通。
8.根據(jù)權利要求1所述的旋轉噴射裝置，其中，所述轉子還包括離心制動調節(jié)件，所述離心制動調節(jié)件被配置成一旦所述轉子達到預定轉動速度時就向所述轉子施加制動力，所述離心制動調節(jié)件設置在所述轉子的所述遠端和所述近端之間。
9.根據(jù)權利要求8所述的旋轉噴射裝置，其中，所述外罩的遠端是錐形的，還包括由耐磨材料構成的錐形筒，所述錐形筒嚙合所述外罩的錐形的所述遠端，并且所述錐形筒被配置成摩擦嚙合所述離心制動調節(jié)件。
10.根據(jù)權利要求1所述的旋轉噴射裝置，其中，與每個至少一個噴嘴的累計面積相比，將所述入口連接至所述至少一個噴嘴的所述轉子中的每個通道的累計面積相對地大。
11.根據(jù)權利要求10所述的旋轉噴射裝置，其中，將所述入口連接至所述至少一個噴嘴的每個通道的所述累計面積至少是每個至少一個噴嘴的所述累計面積的大約10倍。
12.一種用于壓力平衡旋轉噴射裝置中的轉子的方法，所述方法包括以下步驟(a)經(jīng)設置在所述轉子的近端部分的入口，將加壓流體引入所述轉子中，使得所述加壓流體進入所述轉子時的方向與所述轉子同軸；(b)從所述轉子的遠端部分排出引入所述轉子的所述加壓流體的大部分，使得對所述轉子給予轉動力，并使得在與所述加壓流體進入所述轉子時的所述方向大體相反的方向上，對所述轉子上施加軸向力；以及(c)沿不同的流體通路引導所述加壓流體的小部分，從而在與所述加壓流體進入所述轉子的所述方向大體一致的方向上對所述轉子施加軸向力，從而壓力平衡所述轉子。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，還包括以下步驟當由所述加壓流體的所述小部分對所述轉子施加的所述軸向力的量超過由從所述轉子的所述遠端排出的所述加壓流體的所述大部分對所述轉子施加的所述軸向力的量時，使對所述轉子施加所述軸向力的所述加壓流體的所述小部分與周圍容積流體連通。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，還包括以下步驟利用至少一個通道將所述加壓流體從所述入口傳輸?shù)街辽僖粋€噴嘴，使得與每個至少一個噴嘴的累計面積相比，每個這樣的通道的累計面積相對地大。
15.根據(jù)權利要求12所述的方法，還包括以下步驟利用結合進所述轉子中的離心制動件，控制所述轉子的最大轉動速度。
16.一種用于壓力平衡旋轉噴射裝置中的轉子的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供由所述轉子和所述旋轉噴射裝置的非轉動部分界定的壓力平衡容積；(b)經(jīng)設置在所述轉子的近端部分的入口，將加壓流體引入所述轉子，使得所述加壓流體進入所述轉子時的方向與所述轉子同軸；(c)將來自所述轉子的所述加壓流體從所述轉子的遠端部分排出，使得對所述轉子給予轉動力，并且使得所述轉子軸向運動，從而減少所述壓力平衡容積的尺寸；(d)將所述加壓流體的一部分引入所述壓力平衡容積中，從而在所述轉子和所述旋轉噴射裝置的所述非轉動部分之間建立液體動壓軸承；以及(e)增加所述壓力平衡容積中的加壓流體的量，使得所述轉子軸向運動，從而增加所述壓力平衡容積的尺寸，直到打開使所述壓力平衡容積與周圍容積流體連通的排放口，從而壓力平衡所述轉子。
17.一種旋轉噴射裝置，其包括(a)外罩，其界定加壓流體的流體通路；(b)轉子，所述轉子的至少一部分同軸地設置在所述外罩中，所述轉子包括近端和遠端，所述轉子被配置成相對于所述外罩轉動和相對于所述外罩軸向運動，所述遠端包括與所述流體通路流體連通的至少一個噴嘴，所述至少一個噴嘴被配置成排放所述加壓流體的射流，從而引起所述轉子相對于所述外罩轉動；(c)第一壓力平衡容積，其由所述外罩和所述轉子界定，所述第一壓力平衡容積設置在所述轉子的所述近端附近；(d)第二壓力平衡容積，其由所述外罩和所述轉子界定，所述第二壓力平衡容積設置在所述轉子的所述遠端附近；以及(e)排放口，其被配置成根據(jù)所述轉子相對于所述外罩的軸向位置選擇性地使所述第一壓力平衡容積與周圍容積流體連通。
18.根據(jù)權利要求17所述的旋轉噴射裝置，其中，所述轉子在以下位置密封地嚙合所述外罩(a)第一位置，其設置在所述第一壓力平衡容積的近端處；(b)第二位置，其設置在所述第一壓力平衡容積的遠端處和所述第二壓力平衡容積的近端處；(c)第三位置，其設置在所述第二壓力平衡容積的遠端處，其中，與所述第一、第二和第三位置中的每一個有關的直徑被選擇成，使得當所述轉子相對于所述外罩的軸向位置是使所述第一壓力平衡容積與所述排放口流體連通的位置時，所述轉子經(jīng)歷平衡壓力條件。
19.根據(jù)權利要求17所述的旋轉噴射裝置，其中，所述轉子還包括離心制動調節(jié)件，所述離心制動調節(jié)件被配置成在所述轉子達到預定轉動速度時向所述轉子施加制動力，所述離心制動調節(jié)件設置在所述轉子的所述遠端和所述近端之間的位置。
20.根據(jù)權利要求17所述的旋轉噴射裝置，其中，所述轉子還包括流體入口，所述流體入口設置在所述轉子的所述近端，所述流體入口被配置成接納來自所述流體通路的所述加壓流體，使得所述加壓流體在平行于所述轉子的縱向軸線的方向進入所述轉子。
21.根據(jù)權利要求17所述的旋轉噴射裝置，其中，所述排放口包括環(huán)狀槽以及所述外罩中的至少一個孔，所述至少一個孔連接所述環(huán)狀槽以與周圍容積流體連通。
22.根據(jù)權利要求17所述的旋轉噴射裝置，其中，所述至少一個噴嘴包括下列(a)和(b)中至少一個(a)一個過中心噴口和多個偏移噴口；以及(b)至少一個過中心噴口和至少一個偏移噴口。
23.一種旋轉噴射裝置，其包括(a)外罩，其界定加壓流體的流體通路；(b)轉子，所述轉子的至少一部分同軸地設置在所述外罩中，所述轉子包括近端和遠端，所述轉子被配置成相對于所述外罩轉動，所述遠端包括與所述流體通路流體連通的至少一個噴嘴，所述至少一個噴嘴被配置成排出所述加壓流體的射流，從而引起所述轉子相對于所述外罩轉動；以及(c)離心制動件，其設置在所述轉子的所述近端和所述遠端之間，所述離心制動件被配置成在預定轉動速度時摩擦嚙合所述轉子，從而限制所述轉子的最大轉動速度。
24.根據(jù)權利要求23所述的旋轉噴射裝置，其中，所述轉子還包括流體入口，所述流體入口設置在所述轉子的所述近端，所述流體入口被配置成接納來自所述流體通路的所述加壓流體，使得所述加壓流體在軸向方向進入所述轉子。
25.根據(jù)權利要求23所述的旋轉噴射裝置，其中，所述轉子可以相對于所述外罩軸向運動，還包括(a)第一壓力平衡容積，其由所述外罩和所述轉子界定，所述第一壓力平衡容積設置在所述轉子的所述近端附近；以及(b)排放口，其被配置成根據(jù)所述轉子相對于所述外罩的軸向位置選擇性地使所述第一壓力平衡容積與周圍容積流體連通。
26.根據(jù)權利要求25所述的旋轉噴射裝置，其中，所述排放口包括環(huán)狀槽以及所述外罩中的至少一個孔，所述至少一個孔連接所述環(huán)狀槽以與周圍容積流體連通。
27.根據(jù)權利要求25所述的旋轉噴射裝置，其中，所述轉子在以下位置密封地嚙合所述外罩第一位置，所述第一位置設置在所述第一壓力平衡容積的近端處；第二位置，所述第二位置設置在所述第一壓力平衡容積的遠端處和所述轉子的遠端的鄰近處；以及第三位置，所述第三位置位于所述轉子的所述遠端，其中，與所述第一、第二和第三位置中的每一個有關的直徑被選擇成使得當所述轉子相對于所述外罩的軸向位置是使所述第一壓力平衡容積與所述排放口流體連通的位置時，所述轉子經(jīng)歷平衡壓力條件。
28.根據(jù)權利要求23所述的旋轉噴射裝置，其中，所述外罩的遠端是錐形的，并且還包括耐磨材料構成的錐形筒，所述錐形筒嚙合所述外罩的錐形的所述遠端，并且所述錐形筒被配置成摩擦嚙合所述離心制動件。
29.根據(jù)權利要求23所述的旋轉噴射裝置，其中，所述至少一個噴嘴包括下列(a)和(b)中至少一個(a)一個過中心噴口和多個偏移噴口；以及(b)至少一個過中心噴口和至少一個偏移噴口。
全文摘要
旋轉噴射裝置包括壓力平衡轉子，該壓力平衡轉子是利用排放容積實現(xiàn)的。作用在轉子上的不均衡壓力產(chǎn)生的轉子相對于外罩的軸向運動選擇性地露出或者打開使容積與周圍容積流體連通的排放口，使得轉子能夠獲得壓力平衡條件。位于轉子和外罩之間的多個徑向間隙密封用于提供液體動壓軸承以減少轉子和外罩間的摩擦。密封的直徑被利用來促進轉子的壓力平衡。在一個實施方式中，轉子包括離心制動件，該離心制動件被配置成控制轉子的最大轉動速度。加壓流體是在在軸向方向上引入轉子的，使得能夠在轉子中包括比較大的逆流沉降腔，從而減少入口湍流并提高噴射質量。
文檔編號F01D3/00GK101094724SQ200580045447
公開日2007年12月26日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權日2004年12月30日
發(fā)明者杰克·科勒, 馬克·馬文 申請人:泰姆普瑞斯技術有限公司