CN107283325B - 一种用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头，包括内轴、套设于所述内轴上的外套及穿设于所述内轴和外套上的输料组件，所述外套上设有用于向内轴与外套间的间隙输送高压流体的高压密封组件，所述高压流体的注入压力大于所述高压磨料两相流的输送压力。本发明专门针对含磨料颗粒的两相流工况，其具有磨损小、流动稳定性好等优点。

Description

一种用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头

技术领域

本发明涉及旋转接头领域，尤其涉及一种用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头。

背景技术

在实际工作中，磨料水射流的输送通常采用将固体磨料与气态或液态的输送介质混合成均匀的固气或固液两相流，并施加一定压力的方式输送。在磨料水射流技术中，通过在水中加入磨料可以大幅度提高其破碎、切割和磨蚀能力。其中，在高压水中加入磨料并均匀混合成高压磨料两相流，再从喷嘴中喷出的形式是前混式磨料水射流，前混式磨料水射流向喷头输送的是固-液两相流；高压水从水喷嘴喷出再加入磨料的形式是后混式磨料水射流，后混式磨料水射流向喷头输送的一般是固-气两相流。

在隧道掘进过程中，将喷头布置在掘进机前方连续旋转的刀盘上，并引入磨料水射流，喷头与机械刀具配合共同作用，可以大幅度提高破岩效率、施工速度，降低施工成本。但在掘进过程中，磨料两相流不断消耗，此时需在掘进机后方及时补充，磨料输送时则需采用旋转接头连接至喷头进行输送，磨料颗粒在输送介质的压力作用下会进入旋转接头内轴和外套间的间隙，造成严重的磨损和卡滞，工作一段时间后则需停机检修更换，限制了整体工作时间及效率，严重制约了磨料水射流技术在隧道掘进领域的应用开发。同时，由于固体磨料颗粒的惯性，固体磨料颗粒在流向发生急剧变化时难以及时转变，使得在旋转接头的流向变化处易发生冲击磨损，且磨料颗粒也易堆积堵塞管道，导致旋转接头使用寿命低、更换率高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种专门针对含磨料颗粒的两相流工况，且磨损小、流动稳定性好的用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于输送含有固体磨料两相流的旋转接，包括内轴、套设于所述内轴上的外套及穿设于所述内轴和外套上的输料组件，所述外套上设有用于向内轴与外套间的间隙输送高压流体的高压密封组件，所述高压流体的注入压力大于所述高压磨料两相流的输送压力。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述高压密封组件包括依次连通的输送通道、两分流通道及两环形密封槽，两所述分流通道分设于所述内轴与外套输料连接处的两侧，所述环形密封槽与所述内轴与外套间的间隙连通。

两所述环形密封槽的外侧对应设有两个防止高压流体介质外漏的密封圈。

所述高压流体与磨料两相流的流体介质成分完全相同但不含固体磨料颗粒，当所述磨料两相流为固气两相流时，所述高压流体的注入压力比所述高压磨料两相流的输送压力高0.5～1bar，所述内轴与外套的间隙不大于0.1mm；当所述磨料两相流为固液两相流时，所述高压流体的注入压力比所述高压磨料两相流的输送压力高5～10bar，所述内轴与外套的间隙不大于0.3mm。

所述输料组件包括依次连通的外套径向孔、环形分流槽、内轴径向孔及内轴中心孔，所述环形分流槽设于所述内轴的外侧壁上，所述内轴径向孔为多个，多个所述内轴径向孔均匀设置于所述环形分流槽与内轴中心孔之间。

当磨料两相流从外套向内轴输送时，所述外套径向孔、环形分流槽、内轴径向孔的流通截面面积依次增大；当磨料两相流从内轴向外套输送时，所述内轴径向孔、环形分流槽、外套径向孔的流通截面面积依次增大。

所述外套径向孔与所述环形分流槽的外侧壁相切，所述内轴径向孔与所述内轴中心孔的内侧壁相切。

所述外套径向孔向磨料两相流的出料方向倾斜或垂直于所述旋转接头的旋转中心布置。

所述外套径向孔与内轴径向孔的流通截面为圆形或正多边形；优选的，所述外套径向孔与内轴径向孔的流通截面的直径或对边最小尺寸不小于磨料粒径的10～20倍。

所述外套径向孔、内轴径向孔及环形分流槽的内侧壁上均设有弹性耐磨件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的旋转接头专门针对输送含磨料颗粒的固液或固气两相流的工况，避免了传统旋转接头在输送磨料颗粒时易卡滞和磨损大的问题，具体讲，本发明设置有向内轴与外套间的间隙输送高压流体的高压密封组件，且高压流体的注入压力大于所述高压磨料两相流的输送压力，其有效防止了高压磨料两相流进入到内轴与外套间的间隙，避免了磨料对内轴与外套间间隙的磨损和卡滞现象，使得旋转接头的使用寿命及工作效率高，同时，保证了磨料两相流在旋转接头中的流动稳定性及安全性，可实现连续旋转情况下磨料两相流的有效输送。

本发明进一步包括依次连通的外套径向孔、环形分流槽、内轴径向孔及内轴中心孔，环形分流槽的设置使得磨料两相流均匀分流后进行输送，减少了磨料两相流直接冲击对孔壁的磨损；本发明沿磨料两相流的输送方向，进一步将各孔槽的流通截面面积依次增大，其在流量相同情况下，孔槽的流通面积增大则对应的磨料两相流流速及阻力降低，进一步降低了旋转接头的磨损，且避免了磨料在旋转接头内堆积阻塞的问题；本发明进一步将外套径向孔与环形分流槽的外侧壁相切，内轴径向孔与内轴中心孔的内侧壁相切，使得磨料两相流在流向急剧变化时沿相切方向进入环形分流槽及内轴中心孔，其能量损耗小，有效避免了磨料两相流直接注入对注入点的冲击磨损，其进一步降低了旋转接头的磨损。本发明采用环形分流槽、流通截面面积增大及孔槽相切三者结合的方式减小了旋转接头的磨损，使得旋转接头可更好的适用于含磨料颗粒的固液或固气两相流工况，扫平了旋转接头在磨料水射流领域的应用障碍，提高了隧道掘进效率，降低了施工成本。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明另一实施例的结构示意图。

图3是输料组件的位置关系示意图。

图中各标号表示：

1、内轴；2、外套；3、输料组件；31、外套径向孔；32、环形分流槽；33、内轴径向孔；34、内轴中心孔；4、高压密封组件；41、输送通道；42、分流通道；43、环形密封槽；44、密封圈。

具体实施方式

下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本实施例的用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头，包括内轴1、外套2及输料组件3，外套2套设于内轴1上，且内轴1与外套2可相对转动，输料组件3穿设于内轴1和外套2上，用于将高压磨料两相流输送至射流喷嘴。本实施例中，外套2上设有高压密封组件4，高压密封组件4用于向内轴1与外套2间的间隙输送高压流体，高压流体的注入压力大于高压磨料两相流的输送压力。本发明的旋转接头专门针对输送含磨料颗粒的固液或固气两相流的工况，避免了传统旋转接头在输送磨料颗粒时磨损大的问题，具体讲，本发明高压密封组件4向内轴1与外套2间的间隙输送高压流体，且高压流体的注入压力大于所述高压磨料两相流的输送压力，其有效防止了高压磨料两相流进入到内轴1与外套2间的间隙，避免了磨料对内轴1与外套2间间隙的磨损和卡滞现象，使得旋转接头的使用寿命及工作效率高，同时，保证了磨料两相流在旋转接头中的流动稳定性及安全性，可实现连续旋转情况下磨料两相流的有效输送，其尤其适用于磨料两相流输送压力高的情况。

本实施例中，高压密封组件4包括输送通道41、两分流通道42及两环形密封槽43。其中，输送通道41与外部高压源连通，用于向高压密封组件4提供高压流体，输送通道41沿外套2的轴向设置；两分流通道42的一端均与输送通道41连通，两分流通道42的另一端分设于内轴1与外套2输料连接处的两侧，实现向内轴1与外套2输料连接处的两侧注入高压流体；两环形密封槽43的一端与对应的分流通道42连通，两环形密封槽43的另一端与内轴1、外套2间的间隙连通，两环形密封槽43内的高压流体向内轴1与外套2间的间隙注入，以阻止高压磨料两相流进入内轴1与外套2间的间隙，防止磨损、卡滞现象。

本实施例中，两环形密封槽43的外侧对应设有密封圈44，密封圈44的设置有效防止了高压流体介质的外漏，外套2上设有密封槽，密封圈44的一端卡紧于密封槽内，密封圈44的另一端与内轴紧密接触。

本实施例中，高压流体与磨料两相流的流体介质成分完全相同但不含固体磨料颗粒，使得高压流体在作用于磨料两相流时不会对磨料两相流介质成分产生影响，保证了磨料两相流输送过程的稳定和顺畅。本实施例中，当磨料两相流为固气两相流时，由于气体介质具有可压缩性，高压流体的注入压力比高压磨料两相流的输送压力高0.5～1bar即可实现大压差，达到密封目的；当磨料两相流为固液两相流时，由于液体介质的可压缩性低，高压流体的注入压力需比高压磨料两相流的输送压力高5～10bar。同时，当磨料两相流为固气两相流时，由于气体介质的可膨胀性及扩散性强，内轴1与外套2的间隙需不大于0.1mm；当磨料两相流为固液两相流时，由于液体介质的可膨胀性及扩散性弱，内轴1与外套2的间隙为不大于0.3mm。

本实施例中，输料组件3包括外套径向孔31、环形分流槽32、内轴径向孔33及内轴中心孔34。其中，外套径向孔31设于外套2上，且外套径向孔31向向磨料两相流的出料方向倾斜布置，倾斜布置使得磨料两相流在转向时更为顺畅，其能量损失小，避免了磨料沉积和堵塞管路的现象，如图2，在其他实施例中，外套径向孔31也可垂直于旋转接头的旋转中心布置；环形分流槽32设于内轴1的外侧壁上，环形分流槽32的一端与外套径向孔31连通，环形分流槽32的另一端与内轴径向孔33连通；内轴径向孔33为多个，多个内轴径向孔33均匀设置于环形分流槽32与内轴中心孔34之间，内轴径向孔33的两端分别与环形分流槽32及内轴中心孔34连通，环形分流槽32及多个内轴径向孔33的设置使得磨料两相流均匀分流后进行输送，减少了磨料两相流直接冲击对孔壁的磨损。

如图3所示，在优选实施例中，磨料两相流从外套2向内轴1输送，外套径向孔31、环形分流槽32、内轴径向孔33的流通截面面积依次增大，在流量相同情况下，孔槽的流通面积增大则对应的磨料两相流流速及阻力降低，进一步降低了旋转接头的磨损，且避免了磨料在旋转接头内堆积阻塞的问题。本实施例中，在磨料两相流从外套2向内轴1输送时，磨料两相流供应组件与外套2连接，射流喷嘴与内轴1连接，内轴1可相对外套2转动。在其他实施例中，也可磨料两相流从内轴1向外套2输送，此时，磨料两相流供应组件与内轴1连接，射流喷嘴与外套2连接，外套2可相对内轴1转动，同时，内轴径向孔33、环形分流槽32、外套径向孔31的流通截面面积依次增大。

在更优选的实施例中，外套径向孔31与环形分流槽32的外侧壁相切，内轴径向孔33与内轴中心孔34的内侧壁相切，使得磨料两相流在流向急剧变化时沿相切方向进入环形分流槽32及内轴中心孔34，其能量损耗小，有效避免了磨料两相流直接注入对注入点的冲击磨损，其进一步降低了旋转接头的磨损。本实施例采用环形分流槽32、流通截面面积增大及孔槽相切三者结合的方式减小了旋转接头的磨损，使得旋转接头可更好的适用于含磨料颗粒的固液或固气两相流工况，扫平了旋转接头在磨料水射流领域的应用障碍，提高了隧道掘进效率，降低了施工成本。

本实施例中，外套径向孔31与内轴径向孔33的流通截面为圆形或正多边形，控制流通截面的形状使其周长最短，以减少磨料两相流与零部件的接触，降低旋转接头内部磨损。在优选实施例中，外套径向孔31与内轴径向孔33的流通截面的直径或对边最小尺寸不小于磨料粒径的10～20倍，以防止磨料颗粒堵塞孔槽的现象。

本实施例中，外套径向孔31、内轴径向孔33及环形分流槽32的内侧壁上均设有弹性耐磨件，其有效减轻了旋转接头内部磨损，进一步提高了旋转接头的整体寿命，本实施例中，弹性耐磨件的材质可为聚氨酯橡胶。

本实施例中，磨料颗粒在流动的输送介质中存在沉降速度，与磨料颗粒的密度、大小、形状及输送介质密度、粘度等有关，流体流动速度大于一定值后，磨料颗粒可在流体中保持悬浮状态，同时，磨料颗粒与孔槽内壁接触摩擦造成磨损，磨损程度与相对速度成正比，因此，需要将流体流动速度控制在既能使磨料颗粒保持悬浮又不使孔槽快速磨损的范围内。流速为流量/通流面积，在流量已确定的情况下，通过控制旋转接头各孔槽的通流面积，可使流速保持在合理范围内，以减少旋转接头内部磨损。

本发明针对输送含磨料颗粒的固液或固气两相流的特点，从磨料两相流流向、流速、通流截面形状尺寸、通流截面材料、密封方式等方面对旋转接头进行全面改进，其完全避免了传统旋转接头在输送磨料颗粒时易卡滞和磨损大的问题，扫平了旋转接头在磨料水射流领域的应用障碍，提高了隧道掘进效率，降低了施工成本。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头，包括内轴、套设于所述内轴上的外套及穿设于所述内轴和外套上的输料组件，其特征在于，所述外套上设有用于向内轴与外套间的间隙输送高压流体的高压密封组件，所述高压流体的注入压力大于所述固体磨料两相流的输送压力，其中，所述高压密封组件包括依次连通的输送通道、两分流通道及两环形密封槽，输送通道与外部高压源连通，输送通道沿外套的轴向设置；两分流通道的一端均与输送通道连通，两分流通道的另一端分设于内轴与外套输料连接处的两侧；两环形密封槽的一端与对应的分流通道连通，两环形密封槽的另一端与内轴、外套间的间隙连通，两环形密封槽内的高压流体向内轴与外套间的间隙注入，

所述高压流体与固体磨料两相流的流体介质成分完全相同但不含固体磨料颗粒，当所述固体磨料两相流为固气两相流时，所述高压流体的注入压力比所述固体磨料两相流的输送压力高0.5-1bar，所述内轴与外套的间隙不大于0.1mm；当所述固体磨料两相流为固液两相流时，所述高压流体的注入压力比所述固体磨料两相流的输送压力高5-10bar，所述内轴与外套的间隙不大于0.3mm。

2.根据权利要求1所述的用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头，其特征在于，两所述环形密封槽的外侧对应设有两个防止高压流体介质外漏的密封圈。

3.根据权利要求1或2所述的用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头，其特征在于，所述输料组件包括依次连通的外套径向孔、环形分流槽、内轴径向孔及内轴中心孔，所述环形分流槽设于所述内轴的外侧壁上，所述内轴径向孔为多个，多个所述内轴径向孔均匀设置于所述环形分流槽与内轴中心孔之间。

4.根据权利要求3所述的用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头，其特征在于，当所述固体磨料两相流从外套向内轴输送时，所述外套径向孔、环形分流槽、内轴径向孔的流通截面面积依次增大；当所述固体磨料两相流从内轴向外套输送时，所述内轴径向孔、环形分流槽、外套径向孔的流通截面面积依次增大。

5.根据权利要求4所述的用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头，其特征在于，所述外套径向孔与所述环形分流槽的外侧壁相切，所述内轴径向孔与所述内轴中心孔的内侧壁相切。

6.根据权利要求3所述的用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头，其特征在于，所述外套径向孔向所述固体磨料两相流的出料方向倾斜或垂直于所述旋转接头的旋转中心布置。

7.根据权利要求3所述的用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头，其特征在于，所述外套径向孔与内轴径向孔的流通截面为圆形或正多边形。

8.根据权利要求7所述的用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头，其特征在于，所述外套径向孔与内轴径向孔的流通截面的直径或对边最小尺寸不小于磨料粒径的10-20倍。

9.根据权利要求3所述的用于输送含有固体磨料两相流的旋转接头，其特征在于，所述外套径向孔、内轴径向孔及环形分流槽的内侧壁上均设有弹性耐磨件。