CN101094724A - 具有改进喷射质量的浮动头反作用涡轮转子 - Google Patents

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Abstract

旋转喷射装置包括压力平衡转子，该压力平衡转子是利用排放容积实现的。作用在转子上的不均衡压力产生的转子相对于外罩的轴向运动选择性地露出或者打开使容积与周围容积流体连通的排放口，使得转子能够获得压力平衡条件。位于转子和外罩之间的多个径向间隙密封用于提供液体动压轴承以减少转子和外罩间的摩擦。密封的直径被利用来促进转子的压力平衡。在一个实施方式中，转子包括离心制动件，该离心制动件被配置成控制转子的最大转动速度。加压流体是在在轴向方向上引入转子的，使得能够在转子中包括比较大的逆流沉降腔，从而减少入口湍流并提高喷射质量。

Description

具有改进喷射质量的浮动头反作用涡轮转子
相关申请
本申请基于已有的同时待审的临时申请，该临时申请的序列号为No.60/640,742，于2004年12月30日提交，依据35U.S.C.§119(e)的规定要求该提交日的权益。该申请也是基于现有同时待审的常规申请的部分继续申请，该常规申请的序列号为No.10/990,757，于2004年11月17日提交，依据35U.S.C.§120的规定要求该提交日的权益。
背景技术
旋转喷射装置通常用于从采油管和采气管中清除垢层或其他沉积物。这些装置还用来钻掘土壤层和岩石层。在诸如深井作业的水下应用中，有效喷射范围受到湍流耗散的严格限制。喷口必须位于距转动轴的很大的角度处以将喷口和结构层之间的喷距(standoff distance)减到最小。需要多个喷孔以确保通过减少了的水下喷射范围清理所述装置前的所有结构层。必须设置过中心喷口(over-center jet)，使得其轴与所述装置的转动轴相交。喷射质量也是重要的，尤其在较硬的结构层中。大逆流沉降腔(upstreamsettling chamber)和锥形吸入喷嘴通过减少了的进入湍流提高喷射质量。期望旋转喷射装置尽可能的短和紧凑以使得所述装置能够穿过管道中的较小的半径弯曲(tight radius bend)，或者从井穿过短半径横向出射窗(shortradius lateral exit window)。在这些应用中，所述装置可以装配在柔性软管(flexible hose)上。最后，需要在所述装置上设置速度调节件以防止失控。不幸地是，紧凑的设计要求与以上确定的其他要求相冲突。
旋转喷射装置可以利用外部马达来提供旋转，或者转子可以自转。自转系统很大程度地简化了所述装置的操作并减小了所述操作的尺寸。在典型的自转系统中，射流随着运动的切线分量排出，该运动提供转动转子所必需的扭矩。大部分自转系统利用滑动式密封和支承轴承(sliding seal andsupport bearing)来使工作头(working head)转动。与该结构有关的缺点在于由工作射流(working jet)产生的扭矩必须是足够大的，以克服静压轴承和密封摩擦。轴承和密封的动摩擦通常低于静摩擦，所以转子可以超速自转，这样可能引起过热或者轴承失效。大部分自转喷射系统还包括止推轴承，这样的轴承易受高负载，并且在转动速度过高时会失效。
液体动压轴承(hydrodynamic journal bearing)依赖于流体薄膜，这个流体薄膜通过流体动力支承转动轴。滑动轴承不能支持纵向或径向负荷，但是在高速时是有效的-其中高速时流体动力升力最大。可以用平衡或者浮动的转子设计消除纵向负荷。转轴由相对的径向间隙密封(radial clearanceseal)支承，该径向间隙密封还充当液体动压轴承。如果转子的两末端上的轴径相同，那么因为流体的内部压力，不会存在推力。Schmidt(美国专利No.4,440,242)和Ellis(美国专利No.5,685,487)利用这种方法提供了自转喷口(self-rotating jet)。在这两个专利中，工作流体通过交叉的孔从转轴的切向表面处引入到转子的中心。该结构的缺点在于与转子的密封半径相比，流体沉降腔小。而且，必须从转子的外侧钻进形成喷嘴的喷口，并且喷口不会产生优质的射流。最后，射流在距所述装置轴线的相对小的出口半径和小角度处排出，因而所述装置的远射量程相当的大。在Schmidt专利中，提供了一种单独的转子头，该转子头远远伸出轴向平衡部分。该转子头可以被制作的相当的大以适应期望的喷口样式，但是这种方法不能够满足紧凑装置的要求。
对于岩石的有效喷射侵蚀钻孔来说，向心轴承转子的转动速度可能太高。速度调节机构可以基本上改善喷射性能。包括机械的、粘性的以及磁性的制动件的机构已经被用于调节喷射转子速度。这些机构通常是比较长和复杂的。因此，期望在转子中包括简单的、紧凑的速度调节装置。
喷射钻转子(jet drilling rotor)的一个重要应用包括钻短半径孔。这种应用所要求的喷射转子必须尽可能的短以使得装置能够处理小转角和短半径弯曲。因此，期望提供一种具有多个喷口的紧凑喷射转子，定位为：(1)产生足够的扭矩以可靠地启动转子；(2)确保高效地钻进；以及(3)消除径向轴承上可能引起磨损的侧向力。为了提供可能的最好的喷射性能，进一步期望，提供一种在喷射转子中包括相对大的内部流通通道的紧凑的喷射转子，以最小化逆流湍流和压力损耗。还期望提供包括整体的且紧凑的速度调节制动件的紧凑喷射转子。最后，期望提供一种在设计中具有足够精度的包括耐磨材料的紧凑喷射转子，以使可靠的制备和性能成为可能。
发明内容
这里详细公开的包括压力平衡转子(pressure balanced rotor)的示意性旋转喷射装置是通过结合压力平衡容积(pressure balance volume)而获得的，该压力平衡容积由转子和外罩界定。转子被配置成即相对于外罩转动，也相对于外罩轴向运动。转子包括位于远端的至少一个喷嘴，该喷嘴被配置成排放加压流体(pressurized fluid)，从而给予转子转动力。旋转喷射装置被配置成连接到钻柱(drill string)或者柔性导管(例如，螺旋管)的远端，其被配置成从加压流体源输送加压流体。当加压流体被引入所述装置时，一部分加压流体从所述至少一个喷嘴中排出，从而引起转子开始转动，还引起转子在与流体从所述至少一个喷嘴排出的方向大体相反的方向上相对于外罩轴向运动。转子的这个初始轴向运动减小了压力平衡容积的尺寸。一部分加压流体还被引入压力平衡容积。优选地，旋转喷射装置包括多个径向间隙密封，并且通过流体渗漏通过这些间隙密封中的至少一个，加压流体被引入压力平衡容积中。当压力平衡容积填充有加压流体时，将给予转子轴向运动(现在，在与由所述至少一个喷嘴排出的流体射流给予的轴向运动相比相反的方向上)，从而引起压力平衡容积的尺寸增加。旋转喷射装置包括排放口(vent)，根据转子的轴向位置，排放口选择性地使压力平衡容积与周围容积流体连通。随着压力平衡容积尺寸的增加，转子的轴向运行打开排放口，从而使得压力平衡容积与周围容积流体连通。因而，引入压力平衡容积的附加的流体将通过排放口排出，并且不会给予转子附加的轴向运动。
此时，转子是压力平衡的，由压力平衡容积中的加压流体施加在转子上的“向下”的压力基本上抵消了由所述至少一个喷嘴排出的加压流体射流施加在转子上的“向上”的压力。(贯穿本公开所使用的术语“向下”和“向上”是参照附图中所示出的方向的，并不能被解释为绝对方向或者解释为以任何方式对本技术申请的限制。)如以下更加详细的描述，可以利用径向间隙密封的相对直径来促使以上提及的压力平衡条件的实现。
优选地，加压流体经转子的近端处的入口引入转子，使得当加压流体进入转子时，加压流体相对于转子同轴地移动(基于转子的轴线通过转子的远端和近端)。该流动因此可以被认为是轴向流动。这样的轴向流动设置使装置能够比较紧凑。此外，与没有呈现出这种轴向流动设置的装置所包括的沉降容积(settlihg volume)相比，该设置使得相对较大的沉降容积能够被包括在转子中。通过减少入口湍流，相对较大的沉降容积提高了喷射质量。
在至少一个示意性实施方式中，第二压力平衡容积设置在邻近转子的远端处，并且在这样的实施方式中，装置被配置成使得：当转子的轴向位置使压力平衡容积与周围容积流体连通时，由压力平衡容积中的加压流体施加在转子上的“向下”的压力基本上抵消由所述至少一个喷嘴释放的加压流体射流施加在转子上的“向上”的压力和由第二压力平衡容积中的加压流体施加在转子上的“向上”的压力。
这里所公开的旋转喷射装置的另一实施方式包括离心制动件，该离心制动件被配置成限制转子的最大转动速度。离心制动件设置在转子的近端和远端之间，使得可以实现紧凑的旋转喷射装置。可以通过在转子中形成容纳制动块(braking mass)的凹处来实施离心制动件，制动块将摩擦啮合外罩以响应转子渐增的转动速度。在一个实施方式中，外罩的远端部分是锥形的，并且锥形筒(tapered cartridge)啮合外罩的锥形部分，从而制动块摩擦啮合锥形筒。优选地，制动块和锥形筒利用超硬和耐磨材料实现。
该发明内容以简要形式介绍了一些概念，将在说明书中进一步详细描述这些概念。然而，并不是要用该发明内容来确定所要求主题的要点和特征，也不是要用该发明内容来辅助确定所要求主题的范围。
附图说明
当结合附图时，一个或更多个示意性实施方式的各个方面和随之的优点及其修改将变得更易于理解，同样，通过参照下列详细描述将变得更好理解，其中：
图1是包括通气式压力平衡腔的旋转喷射装置的横截面侧视图，所述通气式压力平衡腔被配置成使转子能够获得压力平衡条件；
图2是转子的自由体示意图，示意性地示出了在垂直方向上作用于转子的力(其中，这里使用的和贯穿本公开使用的“垂直”是参照该附图中示出的方向的，而不能被解释为绝对方向或者限制随后的概念的范围)；
图3是包括压力平衡转子和整体式离心制动件(integral centrifugalbrake)的旋转喷射装置的第一优选实施方式的远端视图；
图4A是沿图3的剖面线4A-4A的图3的旋转喷射装置的横截面侧视图，示出了与加压流体流过喷射装置有关的细节；
图4B是沿图3的剖面线4B-4B的图3的旋转喷射装置的横截面侧视图，示出了与整体式离心制动件有关的细节；
图5是包括压力平衡转子和整体式离心制动件的旋转喷射装置的第二优选实施方式的远端视图；
图6A是沿图5的剖面线6A-6A的图5的旋转喷射装置的横截面侧视图，示出了与加压液体流过喷射装置、锥形外罩以及锥形筒有关的细节；以及
图6B是沿图5的剖面线6B-6B的图5的旋转喷射装置的横截面侧视图，示出了与整体式离心制动件、锥形外罩以及锥形筒有关的细节。
具体实施方式
附图和公开的实施方式不是限制性的
参照附图描述了示意性实施方式。这里公开的实施方式和附图应被认为是示意性的，而不是限制性的。
参照图1，示出了包括压力平衡转子的旋转喷射装置(或组件)。该装置包括两个主要构件，转子1和外罩2。转子1设置在外罩2中，并且外罩包括压力腔3(pressure chamber)(能够承受系统的额定运行压力)。转子1被配置成独立于外罩2转动。此外，如以下更详细的讨论，转子1可相对于外罩2轴向运动。加压流体通过入口4在外罩2的近端(proximalend)进入，并且通过在转子1中形成的一个或更多个通道5传输。这样的轴向流动设置允许使用转子中的短且相对大直径的通道(即，通道5)，这样的通道造成可以忽略的节流(flow restriction)。很多现有技术的旋转喷射装置应用小的流体通道，产生了显著降低装置的水力效率的显著节流。
流体通过一个或更多个喷嘴6加速，并且作为流体射流7从转子的远端喷出。图1清楚地示出了一种收敛形喷嘴(convergent nozzle)，可以有利地用于不可压缩的流体，诸如，水。然而，收敛扩散形喷嘴(convergent-divergent nozzle)也可以有利地用于不可压缩的流体，例如，超临界二氧化碳、氮或者气体和水的混合物。定位和定向喷嘴6，使得由喷嘴喷出的射流的反作用力产生围绕转子的转动中心的扭矩，从而将转动力施加给转子。通常，旋转喷射装置设置在钻柱或者盘管组件(coiled tubeassembly)的远端。重要的是，旋转喷射装置的轴向流动设计使得可以获得紧凑的喷射装置，使这样的旋转喷射装置非常适于钻短半径孔。然而，应该认识到，这种用法是示意性的，而不是限制本技术的范围。
在旋转喷射装置中存在三个径向间隙密封表面，包括：入口密封8、出口密封9以及主体密封10。利用转轴和外罩内径之间的小间隙实现密封，使得与喷嘴喷出的流体的量相比，通过该间隙的流体的量是小的。
在至少一个示意性实施方式中，将诸如硬质合金(cemented carbide)的超硬材料用于每一个密封表面。这样的材料通常具有相对低的摩擦系数并且提供较好的耐磨损性。可选地，可以使用其他形式的超硬材料，例如，多晶金刚石(polycrystalline diamond)、火焰喷涂碳化物(Flame SprayedCarbide)、金刚砂、立方氮化硼以及无定形类金刚石涂层(ADLC)。优选地，对于每对相对的密封表面，利用不同的超硬材料实现每个密封表面，本领域的技术人员应该认识到，这能提供减少的摩擦。然而，应该认识到，使用这样的超硬材料只是示意性的，而不是限制本文中所描述的技术的范围。
应该认识到，因为流体射流产生的扭矩比较低，所以旋转喷射装置通常需要某些结构来最小化转动转子所需的扭矩。在本文公开的旋转喷射装置的上下文中，被引入径向间隙密封中的流体起到液体动压轴承的作用，显著地减少了作用在旋转喷射装置转子上的摩擦力。如以下更详细的描述，通过以上所述的径向间隙密封渗漏的流体还将渗漏进近端容积11a和远端容积11b中。如以下更详细的描述，近端容积11a被特别配置成使转子1能够在旋转喷射装置运行期间获得压力平衡条件。
入口密封8的投影面积乘以系统压强产生作用在转子上的“向下”的力。主体密封10和入口密封8之间的环形区形成近端容积11a，充当压力平衡腔。压力平衡腔的投影面积乘以压力平衡腔中的压强产生作用在转子上的“向下”的力。(再次，这里和贯穿本公开所使用的术语“向下”和“向上”是参照附图中所示出的方向的，并且不能被解释为绝对方向或者解释为对所公开的概念的限制；进一步地，应该认识到，术语“向下”是指与从入口4向喷嘴6的运动一致的方向，而术语“向上”是指与从喷嘴6向入口4的运动一致的方向。)主体密封10和出口密封9之间的压力腔的环形面积乘以系统压强产生作用在转子上的“向上”的力。作用在出口密封9的投影面积上的环境压强乘以出口密封9的投影响面积产生转子上的“向上”的力。重要的是，入口密封8、出口密封9以及主体密封10的直径被选择成能平衡转子上的向上和向下的压力。具有泄放通道(bleed passage)12的环状平衡槽17位于压力腔3中，并且可以选择性地设置成与压力平衡腔流体连通，使得当转子处于它的最高行程时，压力平衡腔(近端容积11a)中的流体不能通过泄放通道12溢出，并使得当转子向下运动时，液体可以从压力平衡腔(近端容积11a)中溢出。运行期间，流体通过入口密封8进入压力平衡腔(近端容积11a)，使得压力平衡腔中的压力一直增加直到转子被迫向下运动，从而增加了压力平衡腔(近端容积11a)的尺寸。转子的向下方向的这个轴向运动将会导致环状平衡槽17暴露或者打开，从而使得泄放通道12与压力平衡腔(近端容积11a)流体连通，这能起减低压力平衡腔中的压力的作用。转子将获得一个位置，在该位置中转子上的压力处于平衡状态，并且转子即不向上移动也不向下移动，从而得到压力平衡条件。
以上描述的设计的一个优点在于，在制备旋转喷射装置期间，对着喷嘴出口的一边存在有喷嘴沉降腔13的入口(access)。这个入口使得可以为喷嘴产生比较大的沉降腔和合适的入口几何形状。
图1中的箭头30旨在表示轴向流动。图1中示出的(以及以上所述的)旋转喷射装置的一个重要方面在于导入转子的加压流体流是以轴向形式导入的。注意，转子1的通道5代表与入口4流体连通连接的轴向容积，从而进入入口4和通道5的流体维持基本的轴向流动。很多其他喷射装置包括设置在配置成容纳加压流体的外罩入口和转子内的内部容积间之间的结构(例如密封装置或塞子)，这些装置需要导流通道(diversion passage)以将加压流体导入转子的内部容积中。这些导流通道干扰了图1中所示的轴向流动。轴向流动设置提供了很多益处。主要的益处在于通过提供小的、相对开放的轴向流通通道使入口节流减到了最小。可以将配置成获得轴向流动的旋转喷射装置制备的更加紧凑(即，与包括以上描述的导流通道的传统旋转喷射装置相比，这样的旋转喷射装置通常呈现出基本更加紧凑的结构因素(form factor))。此外，这里所述的轴向流动设置使旋转喷射装置能够包括与转子的密封(即，径向间隙密封8、9和10)直径相比相对大些的流体沉降腔(即，沉降腔13)。相反，包括以上提及的流体导流结构的旋转喷射装置通常包括与转子的密封直径相比相对小些的沉降腔。如上所述，较大的沉降腔提高了从旋转喷射装置中喷出的射流的质量。
以上讨论的轴向流动设置提供的再一益处在于，可以容易地利用转子的近端来连接到动力输出装置(power takeoff)(即，可以将需要转动的机构连接至转子的近端)。这个(转动)能量可以用于多种目的，例如，用于机械加工或者发电，并且还可以连接至装配在旋转喷射装置压力腔的外部的制动机构。
如上所述，转子上作用有许多液压力(hydraulic force)。图2示意性地示出了这些液压力，与诸如重力或加速度等其他力相比较，这些力相对要大些，从而在以下的分析中，可以容易地忽略这些其他的力。对垂直方向的力求和得到了以下关系式：
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是对转子组件的入口压强；
Pa是转子组件周围的环境压强(ambient pressure)；
Pb是压力平衡腔(即，近端容积11a)中的压强；
D1和A1是入口密封8的有效密封直径和面积；
D2和A2是主体密封10的有效密封直径和面积；
D3和A3是出口密封9的有效密封直径和面积。
该分析中的面积和直径仅仅是密封的有效密封直径和面积。假设所有压力都相对Pa表示、设定，则力平衡方程简化为：
P b = [ P 0 * ( A 2 - A 1 - A 3 ) + F j ] ( A 2 - A 1 ) - - - ( 2 )
流体射流的反作用力与通过喷嘴的压降(P0)和喷嘴面积(Aj)成比例。因此，该关系式可以表示如下：
Fj＝K*P0*Aj    (3)
其中，K为常数。将等式3代进等式2，产生下式：
P b = [ P 0 * ( A 2 - A 1 - A 3 + K * A j ) ] ( A 2 - A 1 ) - - - ( 4 )
式(4)确定了压力平衡条件。对该等式的分析展示了几种见解。首先，对于给定的几何形状，压力平衡腔(近端容积11a)中的压力与入口压力成比例。喷嘴尺寸或者喷嘴面积的增加成比例地增加压力平衡腔中的压力。注意，A2-A1是压力平衡腔(近端容积11a)的投影面积，如果A2-A1大于A3，那么压力平衡腔中的压力将总是为正的，包括射流反作用力为0时。在设计入口、主体以及出口密封直径时，这样的考虑是重要的，因为要想获得转子的期望的浮动或者压力平衡，需要压力平衡腔中的正压力。以上关系式可以被用来简化以上所讨论的径向间隙密封的适当尺寸的选择。实际上，D2由压力外罩尺寸界定；尽可能大地选择D3，与尺寸D1一致，使得由通道5引起的节流产生的压力差相对于工作压力要小些(即，小于大约10％，并且更优选地小于大约1％或者更少)。重要的是，与每个喷嘴6的累计面积(cumulative area)相比，每个通道5的累计面积相当的大。优选地，通道5和喷嘴6的流通面积(flow area)比例将是大约10∶1。即，优选地，通道5的累计面积会是喷嘴6的累计面积的大约10倍。因此，如果实现了两个喷嘴，每个具有相同的流通面积，(即，每个喷嘴在其最小直径处，通常在出口处具有相同的横截面面积)，并且使用了将转子入口连接至两个喷嘴的一个流通通道，那么，与两个喷嘴的累计流通面积相比，所述一个流通通道的流通面积(即，流通通道的最小直径处的横截面积)将会相对大些。在一个特别优选实施方式中，所有流量通道(那些将转子入口连接至喷嘴的通道)的累计流通面积是喷嘴的累计流通面积的大约10倍。然而，这个数字只是示意性的，因为，在这种通道的累计流通面积大于喷嘴的累计流通过面积，但并不是10倍大的情况下，也可以实现有利的装置。
本文公开的另一概念是其中在转子主体区域内结合了制动机构的旋转喷射装置。如果旋转喷射装置的转轴被允许在全压力(full pressure)下无限制地转动，那么转动速度将会非常的高，引起密封构件的过度磨损。用于钻削应用中的旋转喷射装置通常具有连接到旋转喷射装置的近端的制动模块，其位于钻柱之间并位于旋转喷射装置上。当实施了这样的制动模块时，这些制动模块相当大地增加了设置在钻柱的远端处的设备的长度(即，制动模块和旋转喷射装置的组合明显地长于单独的旋转喷射装置)。本文公开的是一种包括整体式制动件的旋转喷射装置(即，制动机构设置在旋转喷射装置转子的远端和近端之间)，使得能够实现具有制动能力的更加紧凑的旋转喷射装置。当整体式制动件被结合在包括以上有关图1所述的轴向流通的旋转喷射装置中时，就可以实现紧凑的并且能自动制动的旋转喷射装置。尽管在特别优选实施方式中，整体式制动件和压力平衡转子被实施在单个的旋转喷射装置中，但是应该认识到，可以通过应用本文所描述的方法，将任一概念(即，压力平衡转子或者具有整体式制动件的转子)单独地实施在旋转喷射装置中。因此，包括这两个概念的旋转喷射装置只是示意性的，而不是限制本公开。
优选地，整体式制动机构包括离心致动的机械摩擦制动件(centrifugally actuated mechanical friction brake)。然而，应该理解，可以使用很多可供选择的制动机构来代替。一些可能的可供选择的制动机构包括，但不限于，基于磁性的、粘性流体的以及流体动力的制动机构。
图3、4A和4B示出了包括与转子成为整体的制动机构的旋转喷射装置的第一实施方式。图4B中的制动机构本身是最明显的。图3、4A和4B的旋转喷射装置有益地包括以上所讨论的压力平衡转子；但是，本领域的技术人员应该认识到，可以在不包括以上描述的压力平衡转子的旋转喷射装置中实施整体式制动机构。转子中的射流喷嘴(jet nozzle)之间的空间可以用于装配制动结构。在一个优选实施方式中，制动块(brake shoe)被设置在凹处(pocket)里，从而离心力使得它们在压力腔的内表面(即，外罩的内表面)上制动。当获得紧凑的装置尺寸是主要考虑因素时，这样的结构尤其有用。
图3是包括压力平衡转子和整体式离心制动件的旋转喷射装置的第一优选实施方式的远端视图。图4A是沿图3的剖面线4A-4A的图3的旋转喷射装置的横截面侧视图，示出了与加压液体流过喷射装置有关的细节，而图4B是沿图3的剖面线4B-4B的图3的旋转喷射装置的横截面侧视图，示出了与整体式离心制动件有关的细节。在有关本示例性实施方式中，与以上所描述的附图中的结构元件相同的结构零件的参考标记没有发生变化。
参照图3、4A和4B，转子1设置在压力腔3(由外罩2界定)内，后部连接器(rear adaptor)14装入外罩2。如以上所述的那样选择入口密封8、出口密封9以及主体密封10的直径，以确保在转子接近压力平衡结构时，转子的轴向位置开始暴露出(即，打开)环状平衡槽17，使近端容积11a(压力平衡腔)与泄放通道12流体连通。在这些条件下，导入压力平衡腔的任何附加流体都将会排放至周围容积。因此，当转子1的近端边缘向下移动通过环状平衡槽17的上凸缘时，压力平衡腔(即，近端容积11a)被抽成外部压力，迫使转子向上移动。当转子1的近端边缘移动回来通过环状平衡槽17的上边缘时，压力平衡腔(即，近端容积11a)中的压力增加，迫使转子向下移动。与在实施泄放通道12时没有使用环状平衡槽17的情况相比，使用与泄放通道12连通的环状平衡槽17能够实现对于转子1的轴向位置的更加精密的控制。
在该示意性实施方式中，转子1包括两个喷嘴6a和6b，分别喷出射流7a和7b。设置喷嘴6a，使得射流通过转子的中心轴喷射，从而保证射流切削转子前的材料。喷嘴6b设置在转子1的暴露部分的周围，并且形成角度，使得喷嘴6b的射流直接射到抗腐蚀性定位环(erosion resistantstandoff ring)18前面。孔(opening)19被包括在外罩2中以使得切削过程中产生的碎片可以漏出。喷嘴6b的轴线偏离转子1的轴线，使得射流反作用力在转子上产生扭矩，引起转子转动。进一步地，喷嘴6b和6a的出射角(exit angle)和直径相同，以抵消转子1上的任何侧向荷载。本领域中的技术人员应该认识到，通过喷射方向和直径的适当组合，是有可能平衡来自任何数量的射流的侧向荷载的。
在图4b中所示的旋转喷射装置实施方式中，喷射转子包括用于制动件20a和20b的凹处32a和32b，以调节转子的转动速度。制动件摩擦啮合套筒(sleeve)15，套筒15由密封装置(seal)16固定至外罩2。可以使用单独的套筒，或者可以实施单个环状套筒。优选地，制动件20a、20b以及套筒15由耐磨材料制成，例如，陶瓷或者硬质合金。由偏移射流(offsetjet)7b产生的扭矩是恒定的，而摩擦制动力随着旋转速度而增加。因此，转子在恒定速度下旋转，该恒定速度基本低于空载转速(runaway speed)。
图5、6A和6B中示出了包括与转子连接为整体的制动机构的旋转喷射装置的第二示意性实施方式。尽管配置成摩擦啮合与转子连接为整体的制动元件的锥形筒元件在图6A和6B中都是可见的，但是图6B中的结合到转子的制动元件是最明显的。图5、6A和6B的旋转喷射装置有益地包括以上讨论的压力平衡转子；然而，本领域的技术人员应该认识到，可以在并不包括以上所述的压力平衡转子的旋转喷射装置中实施整体式制动机构。包括制动机构的旋转喷射装置的第二实施方式和以上讨论的第一实施方式之间的主要差别在于锥形筒元件的结合，以下将更详细地论述这一点。再一次，这样的第二实施方式特别适于实现具有制动能力的紧凑的旋转喷射装置。
图5是包括压力平衡转子和整体式离心制动件的旋转喷射装置的第二优选实施方式的远端视图。图6A是沿图5的剖面线6A-6A的图5的旋转喷射装置的横截面侧视图，示出了与加压流体通过喷射装置流通过有关的细节，而图6B是沿图5的剖面线6B-6B的图5的旋转喷射装置的横截面侧视图，示出了与整体式离心制动件有关的细节。用于与之前描述的附图中的一样的结构元件的参考标记没有发生变化。
和之前描述的实施方式相同，转子1通过后部连接件14包含在压力腔3中，后部连接件14装入在外罩2中。如以上所讨论的那样选择径向间隙密封(入口密封8、出口密封9以及主体密封10)的直径，以获得压力平衡条件，其中当转子的轴向位置使得环状平衡槽17和泄放通道12与压力平衡容积(即，近端容积11a)流体连通时，作用在转子上的液压力被平衡。在该实施方式中，转子1具有两个喷嘴6a和6b，分别喷出射流7a和7b。设置喷嘴6a，使得射流通过转子的中心轴喷射，从而保证射流能切削转子前面的材料。喷嘴6b设置在转子1的暴露部分的周围，并且形成一定的角度，使得喷嘴的射流直接射到抗腐蚀性定位环18的前面。孔19被包括在外罩2中，以使得切削过程中产生的碎片可以漏出。喷嘴6b的轴线偏离转子1的轴线，使得射流反作用力产生作用在转子上的力，引起转子旋转。如同有关以上实施方式的讨论，喷嘴6b和6a的出射角和直径相同，以抵消转子1上的任何侧向荷载。喷射转子包括用于离心制动件20a和20b的凹处32a和32b，以调节转子的转动速度。
在具有结合到转子的制动元件的旋转喷射装置的第二优选示意性实施方式中(即，图5、6A和6B的实施方式)，制动元件摩擦啮合锥形筒21，锥形筒21装配在相应锥形成形的外罩2内。优选地，制动件20a和20b以及锥形筒21由耐磨材料制成，例如，陶瓷或者硬质合金。由偏移射流7b产生的扭矩是恒定的，而摩擦制动力随着转动速度而增加。转子因而在恒定速度下旋转，该恒定速度基本上低于空载转速。通常如上所述的，锥形筒21包括泄放通道12、环状平衡槽17、出口密封9以及主体密封10。后部连接件14包括流体聚集腔(fluid gathering chamber)24以及排放孔(vent hole)25，它们使得流体能被排放至周围容积中。由耐磨材料构成的衬套(bushing)22和O形密封圈23设置在后部连接件14的凹处内，O形密封圈23防止衬套周围的泄露。衬套22提供入口密封8的外表面。衬套在轴向上自由地移动直到与锥形筒21啮合。
锥形筒设计允许在制动件和密封装置的滑动表面上使用耐磨材料。诸如硬质合金的耐磨材料通常不能提供所需要的适应射流钻进所所需要的高内压的拉伸强度。作用在衬套22的后表面上的内压迫使衬套顶着锥形筒21。锥形的角度比较小，所以由衬套施加的力产生作用在锥形筒上的圆周压应力，以及作用在外罩2上的拉伸应力，优选地，外罩2由高拉伸强度材料构成，例如钢。圆周压应力平衡由锥形筒中的内压产生的拉伸应力。筒设计还使得径向间隙密封9和10的表面可以在一套装备中加工而成，以确保表面同心。
以上讨论的实施方式的一些优点包括使得以下内容得以实现：
●短且紧凑的旋转喷射装置；
●具有以装置的规格为目的的喷口的旋转喷射装置；
●包括锥形流体喷射入口以提供较好质量的流体射流的旋转喷射装置；
●具有装置入口和流体喷射出口之间最小的流阻的旋转喷射装置；
●展示出所具有的流体入口直径是装置直径的相当大百分比特征的旋转喷射装置。
尽管已经结合实际应用的优选形式及其修改对本发明进行了描述，但是本领域的普通技术人员应该理解，可以在所附权利要求的范围内对本发明进行很多其他的修改。因此，不希望以上描述以任何方式限制本发明的范围，但是相反地，本发明的范围完全是参照所附权利要求确定的。

Claims (29)

1.一种旋转喷射装置，其包括：
(a)外罩，其界定加压流体的流体通路；
(b)转子，所述转子的至少一部分同轴地设置在所述外罩中，所述转子包括近端和远端，所述转子被配置成相对于所述外罩转动和相对于所述外罩轴向运动，所述转子包括：
(i)流体入口，其设置在所述转子的所述近端，所述流体入口被配置成接纳来自所述流体通路的所述加压流体，使得当所述加压流体进入所述转子时，所述加压流体的方向与所述转子同轴；以及
(ii)至少一个喷嘴，其设置在所述转子的所述远端附近，所述至少一个喷嘴连接成与所述流体入口流体连通，并且所述至少一个喷嘴被配置成排出所述加压流体的射流，从而引起所述转子相对于所述外罩转动；
(c)第一压力平衡容积，其由所述外罩和所述转子界定，所述第一压力平衡容积设置在所述转子的所述近端附近；以及
(d)排放口，其被配置成根据所述转子相对于所述外罩的轴向位置选择性地使所述第一压力平衡容积与周围容积流体连通。
2.根据权利要求1所述的旋转喷射装置，还包括：第二压力平衡容积，其由所述外罩和所述转子界定，所述第二压力平衡容积设置在所述转子的所述远端附近。
3.根据权利要求2所述的旋转喷射装置，其中，所述转子在以下位置密封地啮合所述外罩：
(a)第一位置，其设置在所述第一压力平衡容积的近端处；
(b)第二位置，其设置在所述第一压力平衡容积的远端处和所述第二压力平衡容积的近端处；
(c)第三位置，其设置在所述第二压力平衡容积的远端处。
4.根据权利要求3所述的旋转喷射装置，其中，与所述第三位置有关的密封面积小于与所述第一位置有关的密封面积和与所述第二位置有关的密封面积之间的差。
5.根据权利要求3所述的旋转喷射装置，其中，与所述第一、第二和第三位置中的每一个有关的直径被选择成，使得当所述转子相对于所述外罩的轴向位置是使所述第一压力平衡容积与所述排放口流体连通的位置时，所述转子经历平衡压力条件。
6.根据权利要求1所述的旋转喷射装置，其中，所述至少一个喷嘴包括下列(a)和(b)中的至少一个：
(a)一个过中心喷口和多个偏移喷口；以及
(b)至少一个过中心喷口和至少一个偏移喷口。
7.根据权利要求1所述的旋转喷射装置，其中，所述排放口包括环状槽以及所述外罩中的至少一个孔，所述至少一个孔连接所述环状槽以与周围容积流体连通。
8.根据权利要求1所述的旋转喷射装置，其中，所述转子还包括：离心制动调节件，所述离心制动调节件被配置成一旦所述转子达到预定转动速度时就向所述转子施加制动力，所述离心制动调节件设置在所述转子的所述远端和所述近端之间。
9.根据权利要求8所述的旋转喷射装置，其中，所述外罩的远端是锥形的，还包括由耐磨材料构成的锥形筒，所述锥形筒啮合所述外罩的锥形的所述远端，并且所述锥形筒被配置成摩擦啮合所述离心制动调节件。
10.根据权利要求1所述的旋转喷射装置，其中，与每个至少一个喷嘴的累计面积相比，将所述入口连接至所述至少一个喷嘴的所述转子中的每个通道的累计面积相对地大。
11.根据权利要求10所述的旋转喷射装置，其中，将所述入口连接至所述至少一个喷嘴的每个通道的所述累计面积至少是每个至少一个喷嘴的所述累计面积的大约10倍。
12.一种用于压力平衡旋转喷射装置中的转子的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)经设置在所述转子的近端部分的入口，将加压流体引入所述转子中，使得所述加压流体进入所述转子时的方向与所述转子同轴；
(b)从所述转子的远端部分排出引入所述转子的所述加压流体的大部分，使得对所述转子给予转动力，并使得在与所述加压流体进入所述转子时的所述方向大体相反的方向上，对所述转子上施加轴向力；以及
(c)沿不同的流体通路引导所述加压流体的小部分，从而在与所述加压流体进入所述转子的所述方向大体一致的方向上对所述转子施加轴向力，从而压力平衡所述转子。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：当由所述加压流体的所述小部分对所述转子施加的所述轴向力的量超过由从所述转子的所述远端排出的所述加压流体的所述大部分对所述转子施加的所述轴向力的量时，使对所述转子施加所述轴向力的所述加压流体的所述小部分与周围容积流体连通。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：利用至少一个通道将所述加压流体从所述入口传输到至少一个喷嘴，使得与每个至少一个喷嘴的累计面积相比，每个这样的通道的累计面积相对地大。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：利用结合进所述转子中的离心制动件，控制所述转子的最大转动速度。
16.一种用于压力平衡旋转喷射装置中的转子的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供由所述转子和所述旋转喷射装置的非转动部分界定的压力平衡容积；
(b)经设置在所述转子的近端部分的入口，将加压流体引入所述转子，使得所述加压流体进入所述转子时的方向与所述转子同轴；
(c)将来自所述转子的所述加压流体从所述转子的远端部分排出，使得对所述转子给予转动力，并且使得所述转子轴向运动，从而减少所述压力平衡容积的尺寸；
(d)将所述加压流体的一部分引入所述压力平衡容积中，从而在所述转子和所述旋转喷射装置的所述非转动部分之间建立液体动压轴承；以及
(e)增加所述压力平衡容积中的加压流体的量，使得所述转子轴向运动，从而增加所述压力平衡容积的尺寸，直到打开使所述压力平衡容积与周围容积流体连通的排放口，从而压力平衡所述转子。
17.一种旋转喷射装置，其包括：
(a)外罩，其界定加压流体的流体通路；
(b)转子，所述转子的至少一部分同轴地设置在所述外罩中，所述转子包括近端和远端，所述转子被配置成相对于所述外罩转动和相对于所述外罩轴向运动，所述远端包括与所述流体通路流体连通的至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴被配置成排放所述加压流体的射流，从而引起所述转子相对于所述外罩转动；
(c)第一压力平衡容积，其由所述外罩和所述转子界定，所述第一压力平衡容积设置在所述转子的所述近端附近；
(d)第二压力平衡容积，其由所述外罩和所述转子界定，所述第二压力平衡容积设置在所述转子的所述远端附近；以及
(e)排放口，其被配置成根据所述转子相对于所述外罩的轴向位置选择性地使所述第一压力平衡容积与周围容积流体连通。
18.根据权利要求17所述的旋转喷射装置，其中，所述转子在以下位置密封地啮合所述外罩：
(a)第一位置，其设置在所述第一压力平衡容积的近端处；
(b)第二位置，其设置在所述第一压力平衡容积的远端处和所述第二压力平衡容积的近端处；
(c)第三位置，其设置在所述第二压力平衡容积的远端处，其中，与所述第一、第二和第三位置中的每一个有关的直径被选择成，使得当所述转子相对于所述外罩的轴向位置是使所述第一压力平衡容积与所述排放口流体连通的位置时，所述转子经历平衡压力条件。
19.根据权利要求17所述的旋转喷射装置，其中，所述转子还包括：离心制动调节件，所述离心制动调节件被配置成在所述转子达到预定转动速度时向所述转子施加制动力，所述离心制动调节件设置在所述转子的所述远端和所述近端之间的位置。
20.根据权利要求17所述的旋转喷射装置，其中，所述转子还包括：流体入口，所述流体入口设置在所述转子的所述近端，所述流体入口被配置成接纳来自所述流体通路的所述加压流体，使得所述加压流体在平行于所述转子的纵向轴线的方向进入所述转子。
21.根据权利要求17所述的旋转喷射装置，其中，所述排放口包括环状槽以及所述外罩中的至少一个孔，所述至少一个孔连接所述环状槽以与周围容积流体连通。
22.根据权利要求17所述的旋转喷射装置，其中，所述至少一个喷嘴包括下列(a)和(b)中至少一个：
(a)一个过中心喷口和多个偏移喷口；以及
(b)至少一个过中心喷口和至少一个偏移喷口。
23.一种旋转喷射装置，其包括：
(a)外罩，其界定加压流体的流体通路；
(b)转子，所述转子的至少一部分同轴地设置在所述外罩中，所述转子包括近端和远端，所述转子被配置成相对于所述外罩转动，所述远端包括与所述流体通路流体连通的至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴被配置成排出所述加压流体的射流，从而引起所述转子相对于所述外罩转动；以及
(c)离心制动件，其设置在所述转子的所述近端和所述远端之间，所述离心制动件被配置成在预定转动速度时摩擦啮合所述转子，从而限制所述转子的最大转动速度。
24.根据权利要求23所述的旋转喷射装置，其中，所述转子还包括：流体入口，所述流体入口设置在所述转子的所述近端，所述流体入口被配置成接纳来自所述流体通路的所述加压流体，使得所述加压流体在轴向方向进入所述转子。
25.根据权利要求23所述的旋转喷射装置，其中，所述转子可以相对于所述外罩轴向运动，还包括：
(a)第一压力平衡容积，其由所述外罩和所述转子界定，所述第一压力平衡容积设置在所述转子的所述近端附近；以及
(b)排放口，其被配置成根据所述转子相对于所述外罩的轴向位置选择性地使所述第一压力平衡容积与周围容积流体连通。
26.根据权利要求25所述的旋转喷射装置，其中，所述排放口包括环状槽以及所述外罩中的至少一个孔，所述至少一个孔连接所述环状槽以与周围容积流体连通。
27.根据权利要求25所述的旋转喷射装置，其中，所述转子在以下位置密封地啮合所述外罩：第一位置，所述第一位置设置在所述第一压力平衡容积的近端处；第二位置，所述第二位置设置在所述第一压力平衡容积的远端处和所述转子的远端的邻近处；以及第三位置，所述第三位置位于所述转子的所述远端，其中，与所述第一、第二和第三位置中的每一个有关的直径被选择成使得当所述转子相对于所述外罩的轴向位置是使所述第一压力平衡容积与所述排放口流体连通的位置时，所述转子经历平衡压力条件。
28.根据权利要求23所述的旋转喷射装置，其中，所述外罩的远端是锥形的，并且还包括耐磨材料构成的锥形筒，所述锥形筒啮合所述外罩的锥形的所述远端，并且所述锥形筒被配置成摩擦啮合所述离心制动件。
29.根据权利要求23所述的旋转喷射装置，其中，所述至少一个喷嘴包括下列(a)和(b)中至少一个：
(a)一个过中心喷口和多个偏移喷口；以及
(b)至少一个过中心喷口和至少一个偏移喷口。
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