專利名稱：用于將待固結(jié)加壓流體混合物噴射到地下的噴射頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將待固結(jié)加壓流體混合物噴射到地下以形成固結(jié)土壤部分的高效噴射頭。
背景技術(shù)：
使用被稱為“噴射灌衆(zhòng)”的技術(shù)在地下形成人造碌巖(conglomerate)的柱狀結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)都是基于土壤自身的顆粒與粘合劑的混合，通常稱為水泥混合物，這種混合物在高壓條件下通常通過形成在噴射頭(通常被稱為“水槍(monitor)”)中的小直徑噴嘴噴射，所述噴射頭固定在一串管狀桿的下端附近，管狀桿朝向地面旋轉(zhuǎn)和撤回。在這串桿的底部，在水槍下方，固定有鉆探工具，在開挖階段，鉆探工具通過所述桿供應(yīng)的鉆探流體潤(rùn)滑，在這種情況下，所述桿起到管道的作用。粘合劑的射流被分散并與周圍的土壤與混合，從而形成通常為圓柱形狀的礫巖塊，該礫巖塊在硬化時(shí)形成固結(jié)的土壤區(qū)域。目前在地基部門中最常用的桿串具有大截面的管道，水和水泥的混合物通過該管道供給至存在噴嘴的水槍區(qū)域。噴嘴容納在徑向定向的孔中，即，垂直于水槍的縱向軸線。從流體動(dòng)力學(xué)角度來(lái)講，這種構(gòu)造降低了沿著路徑的摩擦損失，因?yàn)橹灰黧w未到達(dá)水槍的末端，流體的流速就會(huì)較低。一旦流體到達(dá)這個(gè)區(qū)域，液流就會(huì)在噴嘴的區(qū)域中互不相關(guān)地偏離，同時(shí)還會(huì)在液流偏離的區(qū)域內(nèi)形成以強(qiáng)湍流為特征的不規(guī)則自由運(yùn)動(dòng)。這導(dǎo)致在噴嘴的出口附近產(chǎn)生高水頭損失，這是由于湍流阻止液流以有序方式流出噴嘴，即，材料的單個(gè)顆粒的速度矢量朝向根據(jù)每個(gè)噴嘴的主軸線方向流出。流體從水槍內(nèi)部到外部的過程是大量水頭損失的原因，因此，應(yīng)當(dāng)理解所述過程不只是增加了功率消耗，而且還減小了被處理材料的柱形物的直徑。因此，在領(lǐng)域內(nèi)存在限制水槍內(nèi)所產(chǎn)生的水頭損失的需求。專利文獻(xiàn)公開了用于噴射灌漿部門的各種水槍，在水槍內(nèi)部具有多個(gè)槽道，所述多個(gè)槽道根據(jù)多重螺旋幾何結(jié)構(gòu)的布局而扭曲，并且這些通道能夠引導(dǎo)液流從水槍的入口螺旋運(yùn)動(dòng)到相關(guān)噴嘴的入口。JP-A-2008285811給出了一個(gè)實(shí)例。這種類型的多重螺旋幾何結(jié)構(gòu)本質(zhì)上并不能保證對(duì)于通常使用的構(gòu)造(即，產(chǎn)生湍流自由運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造)在性能方面具有最大的改進(jìn)，除非對(duì)于上述結(jié)構(gòu)的正確標(biāo)注的基本參數(shù)是確定的并且對(duì)射流的入口和出口區(qū)域進(jìn)行修改，以使效率最大化。該專利文獻(xiàn)還描述了具有一個(gè)或多個(gè)彎曲管道的其它水槍，這些彎曲管道用于使流體混合物偏離，將流體混合物從主管道朝向側(cè)噴嘴輸送，遵循方向逐漸變化的路徑，從而減小湍流和集中水頭損失。US-5228809公開了一種具有恒定截面和規(guī)則曲率的管道。EP-1396585公開了逐步變細(xì)的可變曲率的管道。然而，用于將流體混合物沿著整個(gè)最終入口長(zhǎng)度輸送到噴嘴的管道的直徑取決于對(duì)兩種相反的要求的平衡的需要:第一，必須限制水槍的外部尺寸(通常相對(duì)較小并且大小為約IOOmm左右)；第二，期望對(duì)管道提供可能的最佳曲率半徑。換言之，這些系統(tǒng)提供了一長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度具有可感知的長(zhǎng)度和縮小的直徑，并且可與噴嘴的出口的長(zhǎng)度相比較。因此，源自于減小的集中損失的優(yōu)勢(shì)受到以下事實(shí)的限制:流體在最終長(zhǎng)度內(nèi)具有非常高的速度，非常高的合成摩擦損失。另外，管道、彎曲和倒圓(radius)的存在大大地復(fù)雜化了水槍的總體架構(gòu)，使得裝配、維護(hù)和拆卸步驟復(fù)雜得多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種水槍或噴射頭，該噴射頭在離開水槍的射流的穿透(penetrative capacity)能力方面具有最大可能的效率,更準(zhǔn)確地說,在待處理的土壤上獲得更大的粉碎效果，而功率消耗保持不變。這個(gè)目的以及其它的目的和優(yōu)勢(shì)，將從下文的內(nèi)容獲得更充分的理解，并且根據(jù)本發(fā)明通過具有所附權(quán)利要求中所列出的特征的噴射頭或水槍獲得。簡(jiǎn)言之，噴射頭包括外圓柱形本體，且具有:至少一個(gè)流體上部入口、至少一個(gè)出口側(cè)噴嘴和至少一根具有螺旋中心線的螺旋管道。該管道將上部入口連接至噴嘴，并對(duì)流經(jīng)該管道的流體傳遞圍繞外本體的縱向軸線且朝向噴嘴的螺旋運(yùn)動(dòng)。該螺旋管道朝向噴嘴逐漸變細(xì)，并且包括管道的終端長(zhǎng)度，當(dāng)從平行于縱向軸線且相切于螺旋中心線的截面平面看時(shí)，以及當(dāng)從垂直于縱向軸線的截面平面看時(shí)，該終端長(zhǎng)度以變細(xì)的方式倒圓至噴嘴。


現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選非限制性實(shí)施方式，附圖中:圖1、圖1A和圖2是示出螺旋線的幾何形態(tài)的示例性圖示；圖3示出了兩個(gè)收縮管道的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的噴射頭或水槍的一實(shí)施方式的部分剖開形式的示意性透視圖；圖5是圖4所示的水槍的稍微放大比例的示意性平面圖；圖6是整合在圖4所示的水槍中的螺旋本體的軸向截面視圖；圖7是沿著圖6中的線VI1-VII的橫截面視圖；圖8是圖6中所示的部件的正視透視圖；圖9是圖6中所示細(xì)節(jié)的放大比例的視圖；圖1OA至圖1OC是應(yīng)用于圖6和圖8中所示的螺旋本體的同一部件在不同角度的透視圖；圖11和圖12是示出水槍內(nèi)的螺旋管道的實(shí)例的平面展開的示意圖；圖13和圖14是位于水槍內(nèi)的螺旋本體的兩種不同實(shí)施方式的透視圖。
具體實(shí)施例方式在提供對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)說明之前，在下文中的內(nèi)容陳述為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而執(zhí)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且這些標(biāo)準(zhǔn)全部基于對(duì)最大的射流效率的探尋。在這方面，對(duì)流體流在水槍中的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行能量分析，分析水頭損失。考慮到水槍的架構(gòu)所利用的條件，從這些分析中體現(xiàn)以下內(nèi)容:-液流的入口基本上垂直于或平行于水槍的軸線；
-液流的出口相對(duì)于水槍的軸線基本上正交；并且-水槍內(nèi)存在中心管道，該中心管道是來(lái)自桿的頭部的冷卻流體的自由離開通道，為了獲得最大可能的效率(或最小的水頭損失)，流體在水槍內(nèi)必須采取的路徑是螺旋路徑。因此，實(shí)際上，繼續(xù)偏離液流的方向是可能的，并且繼續(xù)改變管道的截面和水力直徑也是可能的，這就決定了螺旋路徑。在本文中，“路徑”是指各點(diǎn)的幾何位置，該幾何位置確定了正交于水槍內(nèi)的流體流的管道的橫截面的中心。換言之，該路徑與管道的中心(螺旋)線重合，正如在下文詳細(xì)描述的。很顯然，并不是所有的螺旋路徑都能夠在使損失最小化方面產(chǎn)生預(yù)期的效果。為此，即，為了使由于通過水槍本身造成的水頭損失最小，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，流體必須采取的最佳螺旋路徑由使損失最小的五個(gè)條件確定，如下文所述。參照?qǐng)D1，一般的螺旋路徑的公式由下列分量確定:X = r ( Θ ) cos Θy = r ( Θ ) sin Θz = h ( Θ )，其中，Γ(θ)和h(0)是角度Θ的函數(shù)，該角度可在數(shù)值Q1(水槍的入口)和θ2(出口噴嘴處的角度值)之間的范圍內(nèi)變化。使損失最小的第一個(gè)條件是螺旋路徑的半徑r理想地保持恒定。在一些情況下，出于設(shè)計(jì)原因，這是不可能的；而是，上述半徑必須在水槍的入口和出口之間線性變化。任意地設(shè)定其中角度Θ位于零(即Θ i = O)的范圍的下限，意味著需要確定的變量將取代為Θ 2，或以等同的方式，為水槍的高度H，該高度被理解為水槍本身的入口和出口之間的水槍的軸線上的距離。關(guān)于函數(shù)h(0)，在等節(jié)距的螺旋線(參見圖2)的情況下，將存在以下關(guān)系: 節(jié)距ρ = ζ(θ = 2Ji)=h23i(其中，h是大于零的常數(shù)值)tg a = h/rz = h θ = r tg α θ實(shí)際上，在此處所示的實(shí)例中沒有驗(yàn)證等節(jié)距的條件，這是由于存在于水槍的入口(α 90° )和出口(α 0° )之間的螺旋路徑的角度α具有變化。使損失最小的第二個(gè)條件如下:表示水槍的入口和出口之間的螺旋路徑的角度α的變化的函數(shù)必須是線性的；換言之，表示沿著路徑的螺旋線的角度α的變化的函數(shù)具有常數(shù)導(dǎo)數(shù)。入口處的角度α不能被設(shè)定為等于90° ,因?yàn)閷?dǎo)數(shù)的無(wú)窮大(infinite)值對(duì)應(yīng)于這個(gè)角度值。因此，必須對(duì)水槍的入口進(jìn)行倒圓，從而使液流偏向幾乎垂直的方向，該幾乎垂直的方向與嚴(yán)格垂直的方向相差量Λ，從而使損失最小(使損失最小的第三個(gè)條D。通過舉例的方式，從文獻(xiàn)獲知的對(duì)于較小集中損失的錐形入口的值是半徑角度Λ等于20°的值，20°對(duì)應(yīng)于α值等于70° (即90° -20° )的流體入口(路徑的起點(diǎn))處的實(shí)際入口，這產(chǎn)生較小集中水頭損失。如果描述螺旋路徑的角度α的變化的函數(shù)的導(dǎo)數(shù)相對(duì)于Θ為常數(shù)，則考慮到端部處的約束條件，斷定這個(gè)函數(shù)將是線性的，即下列類型的函數(shù):a = a+b θ = ( ji /2- Δ ) (1- θ / θ 2)在這一點(diǎn)上，推斷出ζ和α的正切之間的聯(lián)系是必要的。由于沿著路徑本身的α的可變性，作為Θ的函數(shù)的增量dz在螺旋路徑的各點(diǎn)處不同，該增量可由下列公式給出:dz = r tg a d Θ由此,通過積分,獲得與每個(gè)Θ值相關(guān)聯(lián)的ζ值:ζ = / r tg a d Θ = -r/b [In | cos α | -1n | cos a | ]已根據(jù)已知公式建立了用于確定最佳路徑的多個(gè)決定性關(guān)系，用于計(jì)算在管道中運(yùn)動(dòng)的流體的水頭損失以及繪制在技術(shù)文獻(xiàn)上；特別地，參照如下關(guān)系:該關(guān)系存在于截面的(或水力直徑的平方的)變化與集中損失相對(duì)于突然的截面變化的相應(yīng)系數(shù)之間。觀察到，由于存在于水槍的入口和出口之間的截面(或水力直徑的平方)的變化，表示水槍的入口和出口之間的截面的減小的函數(shù)S (或表示水力直徑的平方的減小的函數(shù)D)必須是線性的，即，具有常數(shù)導(dǎo)數(shù)(使損失最小的第四個(gè)條件)。進(jìn)一步的觀察結(jié)果得自于對(duì)收縮管道中的水頭損失的研究。如果在水槍的入口和出口處的水力直徑是已知的，那么路徑的線性展開表明，根據(jù)因此設(shè)計(jì)的收縮管道的開口半角的值，有可能獲得很短的路徑(圖3中的LI)，該很短的路徑導(dǎo)致因突然的截面變化引起的更大的集中損失，或者很長(zhǎng)的路徑(圖3中的L2)，相反，該很長(zhǎng)的路徑導(dǎo)致因壁上的摩擦引起的更大的摩擦損失，但對(duì)于適當(dāng)程度的角度S而言集中損失較小。從技術(shù)文獻(xiàn)中得知，為了使水頭損失變得相當(dāng)小，管道逐漸變細(xì)的最佳半角δ必須保持被包含在5°至15°之間；因此，限定可以改變長(zhǎng)度L的值范圍的是可能，該范圍給出了基本上優(yōu)化的路徑(使損失最小的第五個(gè)條件)。在設(shè)計(jì)水槍時(shí)，第一選擇涉及錐角δ的最大容許值(即，15° )，以便在不產(chǎn)生相當(dāng)大的集中損失的情況下實(shí)現(xiàn)最短的可行路徑。憑經(jīng)驗(yàn)地，所作選擇的可行性將會(huì)得到驗(yàn)證，因?yàn)榭梢则?yàn)證螺旋面的連續(xù)節(jié)距之間的管道的通道截面間的中間截面，并且可以檢測(cè)螺旋面的連續(xù)節(jié)距之間的管道的通道截面間的厚度，該厚度小于最小厚度，并且該厚度是在水槍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的流體的工作壓力的函數(shù)。因此，采用迭代型的方法是必要的，這種方法確定符合設(shè)計(jì)要求的δ的最大值。上文所解釋的五個(gè)條件足以分析地確定螺旋面的公式，使得水槍內(nèi)的水頭損失最小。對(duì)螺旋面的路徑的分析確定之后是對(duì)管道的“構(gòu)建”，應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)路徑上通道截面面積的相應(yīng)值的逐點(diǎn)應(yīng)用意味著在與之正交的螺旋面的路徑的每個(gè)點(diǎn)處取向的截面。因此，(上述理解中的)最佳路徑的公式由以下關(guān)系式確定:(1) X = r cos Θ(2)y = r sin Θ(3) z = -r/b [In | cos α | -1n | cosa | ](4) Θ ￡ [O ； Θ 2](5) r = cost(6) α = (Ji /2-Δ) (1- θ / θ 2)(7) a = Ji /2- Δ(8) b = - O /2- Λ ) / θ 2(9) L = / (dx2+dy2+dz2) °'5 = (D1-D2) / [2tg δ ]如果入口截面S1、水力直徑Dl和半徑r (實(shí)際上它們對(duì)應(yīng)于參考結(jié)構(gòu)變量)是已知的，那么設(shè)定參數(shù)Λ和δ的值是必要的。特別地，角度δ的選擇在第一次計(jì)算結(jié)束時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，并且可能需要迭代過程。一旦確定了這些條件，就可以推導(dǎo)出作為水力直徑D2的函數(shù)的缺失變量(missing variable),所述水力直徑實(shí)際上將與噴嘴的實(shí)際直徑一致。實(shí)際上，對(duì)D2的確定等同于通過公式(9)確定螺旋線的長(zhǎng)度L的值。Θ 2的值再次通過(9)公式從對(duì)定積分的解析獲得。從公式(I)、(2)和(3)可以重新構(gòu)建螺旋線的路徑。綜上所述，因此:-通道截面的面積線性地減小，或者具有常數(shù)梯度；-通道截面的水力直徑的平方線性地減小，或者具有常數(shù)梯度；-如果已知入口處的水力直徑D1和出口處的水力直徑D2，那么確定了路徑的長(zhǎng)度；-限定路徑的螺旋線的半徑優(yōu)選地是恒定的；如果出于設(shè)計(jì)原因，恒定是不可能的，那么所述半徑在水槍的入口和出口之間必須線性地變化；-限定路徑的螺旋線的傾角α的變化是線性的，或者表示α相對(duì)于Θ的變化的函數(shù)必須具有常數(shù)梯度；水槍的入口具有恒定截面的半徑，其中引入液流相對(duì)于垂直方向偏離量Λ (在5。和30。之間，例如20° )；-限定路徑的螺旋線的節(jié)距在水槍的入口和出口之間減小；-管道使沿水槍的大致軸向方向到達(dá)帶有入口的水槍的液流以及沿帶有噴嘴的入口的水槍的大致徑向方向離開的液流呈圓角化(radius)，圓角化應(yīng)理解為在截面或方向上無(wú)突然變化的平均導(dǎo)向?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4和圖5，噴射頭或水槍整體標(biāo)示為10。水槍包括圓柱管形狀的襯套或外套筒12，該套筒具有外圓柱形表面15a和內(nèi)圓柱形表面15b。水槍用于通過一個(gè)或多個(gè)側(cè)噴嘴11輸送待固結(jié)流體混合物(典型地為混凝土混合物)的加壓射流，以便破碎周圍的土壤并使之固結(jié)。水槍的上端能夠以本質(zhì)上已知的方式連接至一串管狀桿(未示出)，以便垂直地移動(dòng)水槍并圍繞中心縱向軸線ζ旋轉(zhuǎn)水槍。在本說明書和所附權(quán)利要求書中，表示位置和方向的術(shù)語(yǔ)和表述，例如“縱向”、“橫向”、“徑向”、“上部”和“下部”，應(yīng)當(dāng)理解為關(guān)于中心軸線ζ并且關(guān)于軸線ζ基本上垂直的使用狀態(tài)。水槍頂部設(shè)置有入口 16，通過該入口引入被輸送至側(cè)噴射噴嘴的待固結(jié)加壓混合物。圖4和圖5所示實(shí)例中的兩個(gè)側(cè)噴嘴11定向在基本上水平(即基本上垂直于水槍的縱向軸線Z)的平面中，從而沿不通過軸線Z的方向引導(dǎo)相應(yīng)的出口射流。表述“基本上水平”意指噴嘴定向在相對(duì)于垂直于軸線Z的平面稍微向下傾斜的方向，例如與完全垂直于軸線Z的平面形成范圍在0°至15°之間的角度的方向。噴嘴11位于水槍的下端附近，并且通過相應(yīng)的螺旋管道13流體連通地連接至上部入口 16，所述螺旋管道對(duì)位于入口 16內(nèi)的流體傳遞切向分量，該切向分量使液流圍繞水槍的中心縱向軸線ζ旋轉(zhuǎn)。換言之，傳遞給流體的運(yùn)動(dòng)是螺旋型的。流體的運(yùn)動(dòng)由套筒12的內(nèi)圓柱形表面15b橫向地引導(dǎo)和限制。每根管道13的螺旋形狀由一對(duì)面對(duì)的螺旋表面限定，即上螺旋表面14a和下螺旋表面14b，兩個(gè)螺旋表面都由剛性螺旋本體17形成(圖8)，該螺旋本體優(yōu)選地為金屬材料，至少臨時(shí)固定在套筒12的腔室或內(nèi)圓柱形表面15b內(nèi)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，螺旋表面14a、14b是由直線的螺旋運(yùn)動(dòng)形成的“凹槽”螺旋面。標(biāo)記19表示中心管狀芯體，該芯體由所述螺旋本體17形成并具有外圓柱形表面20和軸向中心腔室21，該腔室適于容許潤(rùn)滑流體通過以便潤(rùn)滑安裝在水槍下方的鉆尖(未示出)。在這個(gè)實(shí)例中，管道13的橫截面是矩形的，在頂部由螺旋表面14a限制，在底部由螺旋表面14b限制，外部由圓柱形表面15b限制且內(nèi)部由圓柱形表面20限制。然而，本發(fā)明并不旨在僅限于矩形截面的管道；不同截面的管道也是可行的，例如，圓形截面或半徑不同的截面。圖6、圖7和圖8中分別示出的本體17優(yōu)選地通過機(jī)床由實(shí)體材料加工而成，從而獲得螺旋槽道，所述螺旋通道與套筒12的內(nèi)表面一起限定水槍的管道。在此處所描述和示出的所有不同的實(shí)施方式中，螺旋管道13朝向相應(yīng)的噴嘴11逐漸變細(xì)，并且包括具有螺旋中心線m(圖11和圖12)的管道的終端長(zhǎng)度；當(dāng)從平行于縱向軸線且相切于螺旋中心線m的截面平面(在圖1和圖1A中以P示意性地標(biāo)出)看所述長(zhǎng)度時(shí)，以及當(dāng)從橫向于或垂直于軸線Z的截面平面看終端長(zhǎng)度時(shí)，所述終端長(zhǎng)度以變細(xì)的方式倒圓至噴嘴。關(guān)于管道13的螺旋形狀，位于水槍中的流體遵循固定的螺旋路徑，而不會(huì)受到軌跡突然變化的影響，從而使湍流的形成或不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)分量最小化，同時(shí)降低了能量消耗。沿著管道，可用于使流體通過的截面的面積線性地減小，或者具有常數(shù)梯度；更具體地，如上所述，通道截面的水力直徑的平方線性地減小，即，具有常數(shù)梯度，直到噴嘴11的區(qū)域。限定管道13路徑的螺旋線的半徑基本上保持恒定，而同一螺旋線的傾角α沿著噴嘴方向線性地減??；換言之，限定路徑的螺旋線的節(jié)距朝著排放噴嘴線性地減小。與本說明書的引言部分中所討論的傳統(tǒng)水槍相比，在同等的流速和壓力下，根據(jù)本發(fā)明的水槍的更大截面具有明顯更小的水頭損失、或最小可能的損失，且具有給定的螺旋幾何結(jié)構(gòu)。眾所周知，在不可壓縮流體的情況下，摩擦損失與管道的橫向尺寸的5次方成反比。因此，比傳統(tǒng)水槍更高能量的射流到達(dá)水槍噴嘴處。結(jié)果，噴射灌漿的作用更有效，因?yàn)樵谑褂猛裙β实那闆r下，將獲得具有更大直徑的柱狀固結(jié)土壤。為了在性能方面獲得最大優(yōu)勢(shì)，噴嘴根據(jù)水槍的外圓柱形表面的切線或割線并且沿與流體的前進(jìn)方向一致的方向定向，如圖5中示意性所示。噴嘴的數(shù)量、類型和相對(duì)于一個(gè)或多個(gè)水平面(或垂直于水槍的縱向軸線的平面)的傾角可根據(jù)要求而變化。在圖5中所示的實(shí)施方式中，離開噴嘴11的流體的射流定向在沿著兩條平行直線的相反方向上。水槍保持所有流體液流聚集在一起直到出口噴嘴為止的能力大幅度減小了終端部分內(nèi)的湍流；這一因素連同分布的摩擦損失的凈減少一起，與傳統(tǒng)水槍相比，有助于提高水槍的性能并使水力效率最大化。每個(gè)側(cè)噴嘴11包括嵌入件18，該嵌入件由耐磨材料制成且具有內(nèi)漏斗形通道。在螺旋管道13具有多邊形截面的情況下，諸如圖4中所示實(shí)例中的矩形管道，通常具有圓形截面的噴嘴附近的終端長(zhǎng)度包括導(dǎo)流板25 (圖6、圖7和圖8)，分別示出在圖10A-C中，該導(dǎo)流板提供從多邊形截面到圓形截面的漸進(jìn)通道，以避免局部水頭損失。元件25形成多邊形入口孔和圓形出口。有利地，這些元件25能夠由類似于噴嘴的嵌入件18的耐磨材料制成，然而，由于在這個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)的流體的速度較高，因此，沖刷作用更明顯。在圖8所示的實(shí)例中，導(dǎo)流板25通過焊接固定在結(jié)構(gòu)15b上。作為替換方式，水槍作為整體可通過精密鑄造或電浸蝕工藝或利用類似的工藝獲得，因此，元件25能夠形成具有螺旋表面的單一零件。在圓角化元件25的入口點(diǎn)內(nèi)的半角δ也在5°至15°之間。標(biāo)記24表示密封元件，所述密封元件防止螺旋管道和噴嘴出口之間的泄漏。事實(shí)上，由于非常高的壓力，如果存在簡(jiǎn)單的撞擊或簡(jiǎn)單的機(jī)械配合，那么噴射射流不會(huì)仍被限制在管道內(nèi)。當(dāng)將內(nèi)螺旋本體17插入套筒12內(nèi)部時(shí)，這種情況也會(huì)發(fā)生在內(nèi)螺旋本體17之間。在這種情況下，密封元件不會(huì)插在接合兩個(gè)螺旋表面(上表面14a和下表面14b)的圓柱形邊緣14c之間，并且噴射材料的液流可能從上繞圈節(jié)距泄漏到下繞圈節(jié)距(然而，這種現(xiàn)象只發(fā)生在初始泵送階段，此時(shí)水槍未完全充滿和充分增壓)。然而，在這種完成的裝配形式中，必須確保內(nèi)螺旋本體17和套筒12的內(nèi)腔室15b之間存在密封。出于這個(gè)原因，至少一對(duì)墊圈26插入在噴嘴的上方和下方，并保證流體被密封在管道內(nèi)。在沒有這些墊片的情況下，噴射材料可能泄漏和溢出，擦過表面15b，造成液體損失和壓力損失方面的問題以及與射流的最終沖刷能力相關(guān)的效率低下。另外，從圖7可更清楚地看出，同樣由耐磨和可更換材料實(shí)現(xiàn)的嵌入件18的厚度意味著，適當(dāng)?shù)厥构艿?3的徑向最外側(cè)表面倒圓至嵌入件18中所形成的錐形通道的入口。換言之，必須將套筒12的內(nèi)圓柱形表面15b倒圓至嵌入件18的入口。導(dǎo)流板25能夠使鄰接表面15b的外圍流體流逐步地偏離，朝向稍微靠近中心的區(qū)域，且基本上沿穿過噴嘴軸線的弦方向。導(dǎo)流板25具有能夠接觸套筒12的表面15b的外圓柱形表面25b和用于使流向偏離的拱形內(nèi)表面25a。導(dǎo)流板的厚度逐漸增加，以這種方式，在嵌入件18的入口處，拱形內(nèi)表面25a起始于薄端部25c并終止于厚端部25d，薄端部在管道13中更靠近上游，厚端部更靠近下游。導(dǎo)流板的邊緣可呈現(xiàn)用于焊接至表面15b的斜面25e。導(dǎo)流板25適當(dāng)?shù)赜赡湍ゲ牧现瞥桑缤蟻営操|(zhì)合金(Widia)或碳化鎢、或燒結(jié)材料、或其它材料。圖11和圖12示出了螺旋管道13的兩個(gè)實(shí)例的垂直截面在垂直平面內(nèi)的展開圖；m表示螺旋管道13的中心線。橫坐標(biāo)標(biāo)出在水平面內(nèi)測(cè)量的從角度值零開始的角度的值，所述角度值零表示通過水槍的中心軸線Z且通過下部點(diǎn)的垂直平面，螺旋管道13在該下部點(diǎn)處終止于嵌入件18中。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于此處描述和示出的實(shí)施方式，這些實(shí)施方式被視為水槍的示例性實(shí)施方式；相反，可以在部件的形式和布置、結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)以及其操作方面對(duì)本發(fā)明作出修改。例如，位于同一水平面或不同水平面上的每根螺旋管道的終端長(zhǎng)度內(nèi)可存在一個(gè)或多個(gè)噴嘴。此外，對(duì)于雙流體射流(例如空氣-灌漿或水-灌漿)的應(yīng)用，提供適于將空氣(或水)供應(yīng)至噴嘴的出口截面的外部空間，正如目前與傳統(tǒng)水槍一起使用的。另外，這些專用管道可用于在其中插入儀器或電纜，旨在從工具到外部的信息傳遞(數(shù)據(jù)傳輸)，反之亦然。最后，可以形成兩個(gè)或更多這種類型的水槍(單流體水槍和雙流體水槍)，以進(jìn)行三流體射流灌漿處理。關(guān)于螺旋管道的形狀，已經(jīng)提及，這取決于設(shè)計(jì)條件，并且這些技術(shù)或多或少地適當(dāng)取決于所生產(chǎn)的水槍的數(shù)量。因此，可以從所描述的形狀開始，該形狀以具有大致多邊形橫截面的單個(gè)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，針對(duì)有限數(shù)量的構(gòu)件，到通過鑄造或電浸蝕獲得的形狀，其中管道可以以更接近最佳理論形狀的形狀實(shí)現(xiàn)，在水槍的入口和出口充分圓角化。
權(quán)利要求
1.一種用于將待固結(jié)加壓流體混合物噴射到地下的噴射頭(10)，以形成固結(jié)土壤部分，所述噴射頭包括: 外圓柱形本體(12)，所述外圓柱形本體限定一中心縱向軸線(Z)； 至少一個(gè)上部入口(16)，用于接收來(lái)自安裝在所述噴射頭上方的一串管狀桿中的流體； 至少一個(gè)出口側(cè)噴嘴(11)，位于基本上垂直于所述縱向軸線(Z)的平面中，或沿著相對(duì)于垂直于軸線(Z)的平面稍微向下傾斜的方向延伸； 至少一根螺旋管道(13)，限定一螺旋線中心線(m)，所述管道(13)將所述上部入口(16)連接至所述噴嘴(11)，從而對(duì)流經(jīng)所述螺旋管道的流體傳遞圍繞所述縱向軸線(Z)且朝向所述噴嘴(11)的螺旋運(yùn)動(dòng)， 其特征在于，所述螺旋管道(13)朝向所述噴嘴(11)逐漸變細(xì)，并且包括所述管道的終端長(zhǎng)度，當(dāng)從平行于所述縱向軸線⑵且相切于所述螺旋中心線的截面平面⑵看時(shí)，以及當(dāng)從垂直于所述軸線(Z)的截面平面看時(shí)，所述終端長(zhǎng)度以變細(xì)的方式倒圓至所述噴嘴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射頭，其特征在于，所述螺旋管道(13)倒圓至所述上部入口(16)，使得在那個(gè)倒圓區(qū)域，所述縱向軸線(Z)與相切于所述管道(13)的中心螺旋線(m)的直線形成不超過30°的銳角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射頭，其特征在于: a)所述螺旋線的半徑(r)基本上恒定，或者從所述入口(16)到所述噴嘴(11)的出口線性地增大或線性地減小； b)所述螺旋節(jié)距或所述螺旋角(α)從所述入口(16)到所述噴嘴(11)的出口穩(wěn)定地減?。徊⑶? c)所述管道(13)的垂直于所述中心線(m)的截面面積從所述入口(16)到所述噴嘴(11)的出口線性地減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射頭，其特征在于，所述入口(16)處的螺旋角(α)在約60°至約90°之間的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地為約70°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射頭，其特征在于，所述螺旋管道(13)逐漸變細(xì)的半角(δ )被包含在約5°至約15°之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射頭，其特征在于，所述至少一根螺旋管道(13)通過如下方式限定: 內(nèi)部地或朝向所述縱向軸線(Z)，由中心管狀芯體(19)的圓柱形表面(20)限定，所述中心管狀芯體具有用于流體的通道的軸向中心腔室(21)，并且 外部地或外圍地，由所述外本體(12)的內(nèi)圓柱形表面(15b)限定，所述外本體內(nèi)固定有剛性本體(17)，所述剛性本體形成至少一個(gè)螺旋槽道，所述螺旋槽道提供一對(duì)面對(duì)的螺旋表面，所述螺旋表面為上螺旋表面(14a)和下螺旋表面(14b)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射頭，其特征在于: 所述螺旋管道(13)具有多邊形的橫截面，具體是矩形； 相關(guān)的噴嘴(11)具有圓形截面，并且 在所述終端長(zhǎng)度中，所述螺旋管道(13)通過至少一塊導(dǎo)流板(25)倒圓至所述噴嘴(11)，所述導(dǎo)流板(25)限定一多邊形入口、一圓形出口和中間長(zhǎng)度，在那個(gè)倒圓點(diǎn)中，所述多邊形入口的形狀全等于所述管道(13)的截面的形狀，所述圓形出口全等于所述噴嘴(11)的出口，并且所述中間長(zhǎng)度從多邊形截面逐漸過渡到圓形截面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的噴射頭，其特征在于，在所述螺旋管道(13)內(nèi)，在所述噴嘴(11)的正上游，固定有或形成有導(dǎo)流板(25)，所述導(dǎo)流板(25)具有拱形表面(25a)，所述拱形表面面對(duì)所述管道的內(nèi)側(cè)并且適于使流體流從鄰近所述管道(13)的外圍側(cè)表面(15b)的外圍區(qū)域逐漸地偏離到更中心的區(qū)域，在更中心的區(qū)域處，所述拱形表面(25a)的位于較下游的末端均勻地倒圓至所述噴嘴(11)的入口。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的噴射頭，其特征在于，所述導(dǎo)流板(25)由耐磨材料制成，例如威迪亞硬質(zhì)合金或碳化鎢、或燒結(jié)材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射頭，其特征在于，每個(gè)管道(13)的螺旋形狀由一對(duì)面對(duì)的螺旋表面限定，所述螺旋表面包括上螺旋表面(14a)和下螺旋表面(14b)，這兩個(gè)表面都由剛性螺旋本體(17)形成，所述剛性螺旋本體固定在構(gòu)成所述外圓柱形本體(12)的套筒的內(nèi)圓柱形腔室(15b)內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的噴射頭，其特征在于，包括密封裝置(26)，所述密封裝置插置在內(nèi)螺旋本體(17)和所述套筒(12)的內(nèi)表面(15b)之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的噴射頭，其特征在于，所述導(dǎo)流板(25)由剛性拱形元件構(gòu)成，所述剛性拱形元件固定在所述螺旋管道(13)內(nèi)，并且具有接觸所述套筒(12)的內(nèi)圓柱形表面(15b)的外圓柱形表面(25b)，并且所述導(dǎo)流板的厚度逐漸增加，以這種方式，使得在所述噴嘴(11)的入口處，所述拱形內(nèi)表面(25a)起始于薄端部(25c)并終止于厚端部(25d)，所述薄端部在所述管道(13)中更靠近上游，并且所述厚端部更靠近下游。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射頭，其特征在于，所述至少一個(gè)側(cè)噴嘴(11)沿著相對(duì)于垂直于所述軸線(Z)的平面稍微向下傾斜的方向延伸，從而與完全垂直于所述軸線(Z)的平面形成范圍在0°至15°之間的角度。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于將待固結(jié)加壓流體混合物噴射到地下的噴射頭(10)，包括外圓柱形本體(12)，具有用于流體的至少一個(gè)上部入口(16)、至少一個(gè)出口側(cè)噴嘴(11)和至少一根具有螺旋中心線(m)的螺旋管道(13)。所述管道將上部入口(16)連接至噴嘴(11)，并對(duì)流經(jīng)該管道的流體傳遞圍繞外本體(12)的縱向軸線(Z)且朝向噴嘴(11)的螺旋運(yùn)動(dòng)。螺旋管道(13)朝向噴嘴(11)逐漸變細(xì)，并且包括管道的終端長(zhǎng)度，當(dāng)從平行于縱向軸線(Z)且相切于螺旋中心線的截面平面(P)看時(shí)，以及當(dāng)從垂直于縱向軸線(Z)的截面平面看時(shí)，該終端長(zhǎng)度以變細(xì)的方式倒圓至噴嘴。
文檔編號(hào)E02D3/12GK103205968SQ20121000778
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者切薩雷·薩卡尼 申請(qǐng)人:特雷維有限責(zé)任公司