CN114541973A - 一种用于自进式水射流破岩钻进的带微型刀齿自旋转空化射流钻头 - Google Patents

一种用于自进式水射流破岩钻进的带微型刀齿自旋转空化射流钻头 Download PDF

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Abstract

发明提供一种用于自进式水射流破岩钻进的带微型刀齿自旋转空化射流钻头。该钻头包括旋转前盖、芯轴、中心体、组合轴承、弹簧、摩擦环、端盖、钻头外壳和钻头体。该射流钻头利用喷嘴射流产生反冲力使旋转前盖带动芯轴、中心体和摩擦环转动，使高压水经过转动的中心体后产生大量空化气泡，随后从前喷嘴射出后形成空化射流，并以圆周轨迹破岩联合形成先导钻孔；随后刀齿进一步切削磨蚀破碎射流破岩残留的岩体，形成连通的有效钻孔；接着后喷嘴产生空化射流对孔壁岩体进一步破碎，扩大钻孔直径。本发明射流钻头能产生空化射流，且利用刀齿辅助破岩，破岩钻进效率高，能形成孔径大、形态圆整的钻孔，且钻头旋转可靠、旋转密封效果好、使用寿命长。

Description

一种用于自进式水射流破岩钻进的带微型刀齿自旋转空化射 流钻头
技术领域
本发明涉及水射流破岩钻进领域，特别涉及一种用于自进式水射流破岩钻进的带微型刀齿自旋转空化射流钻头。
背景技术
自进式水射流破岩钻进技术是以高压软管传输动力，利用高压水射流提供自进推力前进破碎岩石形成钻孔。由于水射流破岩具有高效、无尘、低热、钻头无磨损等特点，具有传统机械钻具无法比拟的优点。
水射流钻头是自进式水射流破岩钻进技术的执行机构，高压水通过钻头后形成速度极高的射流，其中前射流对岩石进行破碎形成钻孔，后射流为钻头带动高压软管前进提供推进力，并兼有进一步破岩扩孔和排渣的功能。水射流钻头的破岩钻进性能决定了钻孔钻进速度及深度、水力钻孔的形态及孔径大小。目前，应用较多的自进式水射流钻头主要有多孔射流钻头、旋转射流钻头和直旋混合射流钻头。常用的自进式水射流钻头均不旋转，射流一直冲蚀某一作用点，导致射流破岩钻孔效果不理想、钻孔形态不圆整。
多孔射流钻头是直接在钻头体上按一定角度和中心距离分布多个喷嘴，通过各喷嘴产生多束高速射流联合破岩成孔。该射流钻头由于体积小巧、有效破岩距离长，有利于在极小转弯半径下转向，已广泛应用在径向钻井技术中。然而，多孔射流钻头破岩成孔形态不圆整、钻孔直径较小，钻孔稳定性差。
旋转射流钻头是在钻头体内部添加导流叶轮，使高压水通过导流叶轮的螺旋流道后具有螺旋运动轨迹，从而产生具有轴向速度、径向速度和切向速度的三维旋转射流。该射流形式能降低破岩门限压力，与单喷嘴钻头相比，其破岩面积更大、钻孔形态更圆整；但钻头轴心射流速度低，破岩能力弱，易在钻孔底部中心形成凸台，阻碍钻头前进破岩钻孔。
直旋混合射流钻头是在钻头体内部加入一个带中心孔的加旋叶轮，使高压水经钻头后形成具有三维速度的直旋混合射流。该射流兼有直射流和旋转射流的优点，其轴心速度较高，能有效消除旋转射流的孔底凸台，同时外部射流具有较高旋转强度，可利用射流的切向和径向速度使岩体发生剪切破岩，破岩范围广且形态圆整。但直旋混合射流钻头结构较复杂、整体尺寸较大，且高压流体在钻头内部经叶轮后形成螺旋运动轨迹，加速了射流能量衰减，有效破岩距离小。
因此，为提高水射流钻头的破岩钻进效率和成孔稳定性，亟需研发出新型的自进式水射流钻头。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于自进式水射流破岩钻进的带微型刀齿自旋转空化射流钻头，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种用于自进式水射流破岩钻进的带微型刀齿自旋转空化射流钻头，包括旋转前盖、中心体、组合轴承和弹簧，以及同轴设置的芯轴、端盖、钻头外壳、摩擦环和钻头体。
所述旋转前盖包括前盖本体。所述前盖本体整体为回转体。所述前盖本体具有前盖中心流道。所述前盖中心流道在尾端端面与外界连通。所述前盖中心流道的尾端设置有内螺纹段。所述前盖本体的尾端端面上还设置有若干环形凹槽。所述前盖本体的首端端面上设置有若干个前端刀齿。所述前盖本体的侧壁上设置有若干个侧向刀齿。所述前端刀齿和侧向刀齿均沿钻头旋转方向后倾螺旋布置。所述前盖本体的侧壁上设置有圆弧形凹槽。在凹槽内设置有nb个后喷嘴。所述后喷嘴倾斜布置。所述前盖本体的首端设置有中心喷嘴、nfm个中部前喷嘴和nfl个外部前喷嘴。所述中部前喷嘴环绕中心喷嘴布置。所述外部前喷嘴环绕中心喷嘴布置。所述中心喷嘴的轴线与钻头轴线重合。所述中部前喷嘴和外部前喷嘴倾斜布置。所述中心喷嘴、中部前喷嘴、外部前喷嘴和后喷嘴均与前盖中心流道连通。
所述芯轴整体为两端敞口且内中空的圆筒体。所述芯轴具有阶梯型内腔。所述阶梯型内腔包括从首端到尾端依次布置的大径圆柱段和小径圆柱段。所述小径圆柱段在与大径圆柱段的接合位置处设置有若干中心体卡槽。所述芯轴的首端的外壁上具有螺纹段。所述芯轴的尾端端面上设置有若干止转销。所述芯轴的外壁上还设置有环形凸台。所述环形凸台与组合轴承接触限位并传递轴向力。所述环形凸台位于大径圆柱段的对应位置。
所述端盖整体为圆筒体。所述端盖的首端端面上设置有若干环形凸起。所述端盖具有阶梯型内腔。所述阶梯型内腔包括从首端到尾端依次布置的通过腔和连接腔。所述通过腔和连接腔均为圆柱腔体。所述通过腔的直径小于连接腔的直径。所述连接腔具有内螺纹。所述端盖套设在芯轴的外圆周。所述芯轴的首端穿过通过腔后，螺纹段旋入内螺纹段。所述端盖的环形凸起嵌入对应的环形凹槽中，与环形凹槽配合形成迷宫式间隙密封，从而防止钻头外部液体进入组合轴承。
所述钻头外壳整体为圆筒体。所述钻头外壳具有阶梯型内腔。所述阶梯型内腔包括从首端到尾端依次布置的容置腔和密封腔。所述容置腔和密封腔均为圆柱腔体。所述容置腔的直径大于密封腔的直径。所述密封腔的内壁上设置有环形密封圈凹槽。所述环形密封圈凹槽中布置有格莱圈。所述钻头外壳的外壁上设置有环形锁止凸楞。所述钻头外壳的首端和尾端的外壁上设置有外螺纹。所述钻头外壳套设在芯轴的外圆周。所述芯轴的尾端从密封腔伸出。所述环形凸台容置在容置腔中。所述钻头外壳的首端旋入端盖的连接腔。所述端盖的尾端端面与环形锁止凸楞抵接。所述芯轴、端盖和钻头外壳合围出组合轴承容置空间。所述组合轴承布置在组合轴承容置空间中。所述组合轴承容置空间的首段抵顶端盖，尾端顶抵环形凸台。所述组合轴承的外壁与容置腔的内壁贴合，内壁与芯轴的外壁贴合。
所述中心体包括从首端到尾端依次同轴设置的下游绕流段、叶轮底座和上游绕流段。所述叶轮底座为圆柱体。所述叶轮底座的外圆周上具有若干个叶轮。所述上游绕流段为流线型圆锥体。所述下游绕流段为直线型圆锥体或流线型圆锥体。所述叶轮底座与上游绕流段及下游绕流段的交界处均平滑过渡。所述中心体布置在芯轴的阶梯型内腔中。所述下游绕流段容置在小径圆柱段内。所述上游绕流段容置在大径圆柱段内。所述若干个叶轮对应卡合在中心体卡槽中。
所述摩擦环整体为两端敞口且内中空的阶梯型回转体。所述摩擦环包括从首端到尾端依次同轴设置的嵌入段和底座段。所述嵌入段的直径小于底座段的直径。所述嵌入段的圆周外壁上设置有若干密封圈凹槽。所述密封圈凹槽中布置有密封圈。所述底座段的首端端面上设置有若干导向凹槽，尾端端面上设置有若干环向密封凹槽。所述摩擦环的嵌入段插入芯轴的阶梯型内腔的大径圆柱段。所述止转销嵌入对应的导向凹槽中，配合对摩擦环进行轴向定位，防止摩擦环和芯轴发生相对转动。所述弹簧套设在上游绕流段外围。所述弹簧的两端分别顶抵在叶轮上和摩擦环的嵌入段的首端端面上。
所述钻头体整体为圆筒体。所述钻头体具有阶梯型内腔。所述阶梯型内腔包括从首端到尾端依次布置的圆柱腔体Ⅰ、圆柱腔体Ⅱ和圆柱腔体Ⅲ。所述圆柱腔体Ⅰ的直径大于圆柱腔体Ⅱ的直径。所述圆柱腔体Ⅲ的直径大于圆柱腔体Ⅱ的直径。所述钻头体的壁面上设置有若干泄压孔。所述泄压孔连通圆柱腔体Ⅰ和外界。所述圆柱腔体Ⅰ和圆柱腔体Ⅱ的接合位置处设置有钻头体内部凸台。所述圆柱腔体Ⅰ的内壁上设置有内螺纹。所述圆柱腔体Ⅲ的内壁上设置有内螺纹。所述钻头外壳的尾端旋入钻头体的圆柱腔体Ⅰ。所述钻头体的首端端面与环形锁止凸楞抵接。所述钻头体内部凸台与摩擦环的尾端端面抵接。所述端盖、钻头外壳和钻头体依次通过螺纹连接，为射流钻头非旋转部件。
工作时，射流钻头利用中部前喷嘴、外部前喷嘴和后喷嘴喷射出的高速空化射流产生的反冲力使旋转前盖带动芯轴、中心体和摩擦环转动。高速空化射流主导旋转冲击破岩，刀齿辅助切屑磨损破岩形成钻孔。在射流钻头破岩钻进成孔过程中，中心体随芯轴一同转动。高压水依次通过上流绕流段、叶轮和下游绕流段，增加射流钻头内流体的紊动性，扩大流体负压区域的范围，使流体在中心体尾流区产生更强烈的压力脉动，从而产生更多的空化气泡。含气泡的高压水从喷嘴喷射出后，便形成高速空化射流，从而提高射流破岩效果。所述中心喷嘴、中部前喷嘴和外部前喷嘴产生的高速空化射流分别破碎钻孔中心、中部和外围岩体。所述后喷嘴喷射出的高速空化射流为钻头前进提供推进力。
进一步，所述组合轴承为组合滚针轴承。所述组合轴承的首端为滚针轴承侧，尾端为推力轴承侧。所述组合轴承结构紧凑，整体尺寸较小，且极限承载能力强、转速高，使用该轴承可大大简化钻头内部结构，缩小钻头尺寸，从而满足自旋转射流钻头在受限空间内使用。
进一步，所述前端刀齿和侧向刀齿为硬质合金切削刀齿。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.射流钻头流道中心有带叶轮中心体，通过钻头自旋转带动中心体转动，使高压流体经过转动的带叶轮中心体后在尾流区形成更强烈的压力脉动，从而催生出更多的空化气泡，增强射流的空化效果，提高射流破岩效率；
B.射流钻头旋转前盖上镶嵌有微型前端刀齿和侧向刀齿，一方面利用各喷嘴产生的高速空化射流主导破岩成孔，另一方面通过微型刀齿进一步切削磨蚀破碎孔底及孔壁残留岩石，进一步提高了射流钻头破岩成孔效率；
C.中心喷嘴、前喷嘴、后喷嘴均集成在旋转前盖上，使各喷嘴所产生的空化射流旋转分区域破岩成孔，避免了传统不旋转后喷嘴所产生的射流对孔壁形态的损伤破坏，使钻孔形态更圆整，孔壁稳定性高；
D.采用旋转摩擦副的密封方式，并在摩擦环接触面上加工多条环形凹槽，在保证机械密封效果前提下增添了间隙密封效果，密封效果好，部件使用寿命长；当液体压力升高时，摩擦副之间接触应力增大，密封效果进一步增强，且增大的摩擦阻力能避免钻头旋转速度的剧烈增长，具有一定限速功能；
E.采用组合滚针轴承实现芯轴和钻头外壳的相对转动，极大简化了钻头内部结构，降低了钻头旋转阻力，减少了钻头旋转件的卡钻问题；并在轴承前端和后端分别采用间隙密封和格莱圈进行密封，避免了钻头外部和内部液体进入轴承，保证了钻头正常的自旋转工作，延长了钻头使用寿命。
附图说明
图1为带微型刀齿自旋转空化射流钻头结构示意图；
图2为旋转前盖结构示意图；
图3为芯轴结构示意图；
图4为端盖结构示意图；
图5为钻头外壳结构示意图；
图6为中心体结构示意图；
图7为摩擦环结构示意图；
图8为钻头体结构示意图；
图9为破岩钻进成孔原理示意图；
图10为旋转前盖上喷嘴轴线布置角度示意图。
图中：旋转前盖1、中心喷嘴1-1、中部前喷嘴1-2、外部前喷嘴1-3、后喷嘴1-4、前端刀齿1-5、侧向刀齿1-6、环形凹槽1-7、螺纹1-8、芯轴2、螺纹段2-1、轴承支撑凸台2-2、止转销2-3、中心体卡槽2-4、端盖3、环形凸起3-1、通过腔3-2、连接腔3-3、中心体4、上游绕流段4-1、叶轮底座4-2、下游绕流段4-3、叶轮4-4、钻头外壳5、容置腔5-1、密封腔5-2、环形密封圈凹槽5-3、环形锁止凸楞5-4、组合轴承6、弹簧7、密封圈8、格莱圈9、9-1—密封圈凹槽，9-2—导向凹槽，9-3—环形密封凹槽、摩擦环10、密封圈凹槽10-1、导向凹槽10-2、环向密封凹槽10-3、钻头体11、泄压孔11-1、钻头体内部凸台11-2。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
虽然有较多学者研究并优化改进了自进式自旋转射流钻头，但现有自旋转射流钻头均利用连续纯水射流破碎岩石，其破岩效率较低。此外，现有结构简单的自旋转射流钻头旋转件和非旋转件之间的相对转动摩擦阻力大，射流反冲力使旋转件受力不均衡时易导致钻头自旋转失效，且钻头旋转过程中极易发生卡钻问题；此外，结构复杂的自旋转射流钻头多采用推力轴承和深沟球轴承配合使用，其结构复杂，配合精度要求高，尤其对小尺寸的微型轴承而言，在承压旋转时极易出现受力不均匀，导致轴承损坏。同时，现有自旋转射流钻头的旋转密封多采用间隙密封方式，密封效果较差，尤其是在高压状态下液体泄漏严重，易导致密封失效。由于钻头自旋转扭矩由射流反冲力提供，随着射流压力的增高，钻头转速会增大，使射流产生雾化，从而削弱射流的冲击破岩能力。为简化钻头结构，多数自旋转射流钻头并未考虑限速问题，而极少部分考虑限速问题的钻头采用粘性流体、电磁限速和离心限速等限速机构，大大增加了射流钻头的内部结构和整体尺寸，使钻头无法在受限空间内使用。
参见图1，为了改善现有自进式水射流钻头破岩钻孔效率低、钻孔稳定性差等问题，尤其针对自旋转射流钻头摩擦阻力大、旋转密封效果差、钻头限速机构复杂等一系列问题，本发明提供一种用于自进式水射流破岩钻进的带微型刀齿自旋转空化射流钻头，包括旋转前盖1、中心体4、组合轴承6和弹簧7，以及同轴设置的芯轴2、端盖3、钻头外壳5、摩擦环10和钻头体11。
参见图2，所述旋转前盖1包括前盖本体。所述前盖本体整体为回转体。所述前盖本体具有前盖中心流道。所述前盖中心流道在尾端端面与外界连通。所述前盖中心流道的尾端设置有内螺纹段1-8。所述前盖本体的尾端端面上还设置有环形凹槽1-7。所述前盖本体的首端端面上设置有前端刀齿1-5。所述前盖本体的侧壁上设置有侧向刀齿1-6。所述前端刀齿1-5和侧向刀齿1-6均沿钻头旋转方向后倾螺旋布置。所述前盖本体的侧壁上设置有圆弧形凹槽。在凹槽内设置有nb个后喷嘴1-4。所述后喷嘴1-4倾斜布置。所述前盖本体的首端设置有中心喷嘴1-1、nfm个中部前喷嘴1-2和nfl个外部前喷嘴1-3。所述中部前喷嘴1-2环绕中心喷嘴1-1布置。所述外部前喷嘴1-3环绕中心喷嘴1-1布置。所述中心喷嘴1-1的轴线与钻头轴线重合。所述中部前喷嘴1-2和外部前喷嘴1-3倾斜布置。所述中心喷嘴1-1、中部前喷嘴1-2、外部前喷嘴1-3和后喷嘴1-4均与前盖中心流道连通。图2a和图2b为旋转前盖1的不同视图。
参见图3，所述芯轴2整体为两端敞口且内中空的圆筒体。图3a、图3b、图3c和图3d为旋转前盖1的不同视图。所述芯轴2具有阶梯型内腔。所述阶梯型内腔包括从首端到尾端依次布置的大径圆柱段和小径圆柱段。所述小径圆柱段在与大径圆柱段的接合位置处设置有中心体卡槽2-4。所述芯轴2的首端的外壁上具有螺纹段2-1。所述芯轴2的尾端端面上设置有止转销2-3。所述芯轴2的外壁上还设置有环形凸台2-2。所述环形凸台2-2与组合轴承6接触限位并传递轴向力。所述环形凸台2-2位于大径圆柱段的对应位置。
参见图4，所述端盖3整体为圆筒体。所述端盖3的首端端面上设置有环形凸起3-1。所述端盖3具有阶梯型内腔。所述阶梯型内腔包括从首端到尾端依次布置的通过腔3-2和连接腔3-3。所述通过腔3-2和连接腔3-3均为圆柱腔体。所述通过腔3-2的直径小于连接腔3-3的直径。所述连接腔3-3具有内螺纹。所述端盖3套设在芯轴2的外圆周。所述芯轴2的首端穿过通过腔后，螺纹段2-1旋入内螺纹段1-8。所述端盖3的环形凸起3-1嵌入对应的环形凹槽1-7中，与环形凹槽1-7配合形成迷宫式间隙密封，从而防止钻头外部液体进入组合轴承6。
参见图5，所述钻头外壳5整体为圆筒体。所述钻头外壳5具有阶梯型内腔。所述阶梯型内腔包括从首端到尾端依次布置的容置腔5-1和密封腔5-2。所述容置腔5-1和密封腔5-2均为圆柱腔体。所述容置腔5-1的直径大于密封腔5-2的直径。所述密封腔5-2的内壁上设置有环形密封圈凹槽5-3。所述环形密封圈凹槽5-3中布置有格莱圈9，防止机械接触密封泄漏的液体进入轴承6，保证组合轴承6在正常环境中运行，提高了轴承使用寿命。所述钻头外壳5的外壁上设置有环形锁止凸楞5-4。所述钻头外壳5的首端和尾端的外壁上设置有外螺纹。所述钻头外壳5套设在芯轴2的外圆周。所述芯轴2的尾端从密封腔5-2伸出。所述环形凸台2-2容置在容置腔5-1中。所述钻头外壳5的首端旋入端盖3的连接腔3-3。所述端盖3的尾端端面与环形锁止凸楞5-4抵接。所述芯轴2、端盖3和钻头外壳5合围出组合轴承容置空间。所述组合轴承6布置在组合轴承容置空间中。所述组合轴承容置空间的首段抵顶端盖3，尾端顶抵环形凸台2-2。所述组合轴承6的外壁与容置腔5-1的内壁贴合，内壁与芯轴2的外壁贴合。
参见图6，所述中心体4包括从首端到尾端依次同轴设置的下游绕流段4-3、叶轮底座4-2和上游绕流段4-1。图6a和图6b为中心体4的不同视图。所述叶轮底座4-2为圆柱体。所述叶轮底座4-2的外圆周上具有叶轮4-4。所述上游绕流段4-1为流线型圆锥体。所述下游绕流段4-3为直线型圆锥体或流线型圆锥体。所述叶轮底座4-2与上游绕流段4-1及下游绕流段4-3的交界处均平滑过渡。所述中心体4布置在芯轴2的阶梯型内腔中。所述下游绕流段4-3容置在小径圆柱段内。所述上游绕流段4-1容置在大径圆柱段内。所述叶轮4-4对应卡合在中心体卡槽2-4中。
参见图7，所述摩擦环10整体为两端敞口且内中空的阶梯型回转体。图7a、图7b和图7c为摩擦环10的不同视图。所述摩擦环10包括从首端到尾端依次同轴设置的嵌入段和底座段。所述嵌入段的直径小于底座段的直径。所述嵌入段的圆周外壁上设置有密封圈凹槽10-1。所述密封圈凹槽10-1中布置有密封圈8。所述底座段的首端端面上设置有导向凹槽10-2，尾端端面上设置有环向密封凹槽10-3。所述摩擦环10的嵌入段插入芯轴2的阶梯型内腔的大径圆柱段。所述止转销2-3嵌入对应的导向凹槽10-2中，配合对摩擦环10进行轴向定位，防止摩擦环10和芯轴2发生相对转动。所述弹簧7套设在上游绕流段4-1外围。所述弹簧7的两端分别顶抵在叶轮4-4上和摩擦环10的嵌入段的首端端面上。
参见图8，所述钻头体11整体为圆筒体。所述钻头体11具有阶梯型内腔。所述阶梯型内腔包括从首端到尾端依次布置的圆柱腔体Ⅰ、圆柱腔体Ⅱ和圆柱腔体Ⅲ。所述圆柱腔体Ⅰ的直径大于圆柱腔体Ⅱ的直径。所述圆柱腔体Ⅲ的直径大于圆柱腔体Ⅱ的直径。所述钻头体11的壁面上设置有泄压孔11-1。所述泄压孔11-1连通圆柱腔体Ⅰ和外界。所述圆柱腔体Ⅰ和圆柱腔体Ⅱ的接合位置处设置有钻头体内部凸台11-2。所述圆柱腔体Ⅰ的内壁上设置有内螺纹。所述圆柱腔体Ⅲ的内壁上设置有内螺纹。所述钻头外壳5的尾端旋入钻头体11的圆柱腔体Ⅰ。所述钻头体11的首端端面与环形锁止凸楞5-4抵接。所述钻头体内部凸台11-2与摩擦环10的尾端端面抵接。所述端盖3、钻头外壳5和钻头体11依次通过螺纹连接，为射流钻头非旋转部件。摩擦环10在弹簧7的弹力、高压液体静压力和止转销2-3的导向作用下与钻头体内部凸台11-2接触形成机械密封，并利用环向密封凹槽10-3进行间隙密封。所述射流钻头旋转密封原理为：当射流使旋转前盖1带动芯轴2和摩擦环10转动时，对初始状态的低压液体而言，摩擦环10在弹簧7的预紧力作用下与钻头体内部凸台11-2紧密贴合，实现初始状态的旋转密封。随着射流压力的升高，高压水施加在摩擦环10上的静压力增大，增强了摩擦环10和钻头体内部凸台11-2的摩擦密封效果，使高压水只能沿中空通道依次通过钻头体11和摩擦环10，实现高压水在旋转件和非旋转件之间的持续传输。如果上述机械密封出现液体泄漏时，使摩擦环10与钻头体11接触面相对转动时具有间隙密封效果，可通过摩擦环10的间隙密封进行辅助密封。此外，由于射流压力升高会增大摩擦环10和钻头体内部凸台11-2间的摩擦阻力，能抑制钻头转速过度增大，具有一定的限速作用。
参见图9，工作时，射流钻头利用中部前喷嘴1-2、外部前喷嘴1-3和后喷嘴1-4喷射出的高速空化射流产生的反冲力使旋转前盖1带动芯轴2、中心体4和摩擦环10转动。高速空化射流主导旋转冲击破岩，刀齿辅助切屑磨损破岩形成钻孔。在射流钻头破岩钻进成孔过程中，中心体4随芯轴2一同转动。高压水依次通过上流绕流段4-1、叶轮4-4和下游绕流段4-3，增加射流钻头内流体的紊动性，扩大流体负压区域的范围，使流体在中心体尾流区产生更强烈的压力脉动，从而产生更多的空化气泡。含气泡的高压水从喷嘴喷射出后，便形成高速空化射流，从而提高射流破岩效果。所述中心喷嘴1-1、中部前喷嘴1-2和外部前喷嘴1-3产生的高速空化射流分别破碎钻孔中心、中部和外围岩体。所述后喷嘴1-4喷射出的高速空化射流为钻头前进提供推进力。
本实施例带微型刀齿自旋转空化射流钻头，一方面利用钻头旋转带动中心体转动，从而增强射流的空化效果，使射流钻头以高速空化射流旋转冲击破岩为主，并以刀齿切屑磨损破岩为辅，能形成孔径大、形态圆整的水力钻孔，钻孔直径和钻进速度可达48～85mm和36～60cm/min，钻孔形态近圆形。另一方面，射流钻头具有结构相对简单、部件分布紧凑、整体尺寸较小、且钻头旋转可靠、旋转密封效果好等优点，钻头外径和长度可控制在20～30mm和40～65mm范围内，钻头旋转承压能力可达56MPa。
实施例2：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述组合轴承6为组合滚针轴承。所述组合轴承6的首端为滚针轴承侧，尾端为推力轴承侧。所述组合轴承6结构紧凑，整体尺寸较小，且极限承载能力强、转速高，使用该轴承可大大简化钻头内部结构，缩小钻头尺寸，从而满足自旋转射流钻头在受限空间内使用。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述前端刀齿1-5和侧向刀齿1-6为硬质合金切削刀齿。前端面各前喷嘴之间均匀布置2个或4个前端刀齿1-5，螺旋升角为10～25°，刀尖角为45～60°，刀尖高出旋转前盖外壁1～3mm。在旋转前盖1侧面后喷嘴之间加工3～4个侧向刀齿1-6，螺旋升角为20～30°，刀尖角为20～35°，刀尖高出侧面壁1～3mm。所述前端刀齿1-5和侧向刀齿1-6均沿钻头旋转方向后倾螺旋布置。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述叶轮底座4-2的直径Dc为钻头内流道直径D的1/3～2/3。上游绕流段4-1的长度小于小径圆柱段的长度，目的是尽量减小流体通过中心体4时的阻力。下游绕流段4-3的长度小于大径圆柱段的长度，目的是使流体通过下游绕流段4-3后产生空化气泡。
实施例5：
参见图10，本实施例主要结构同实施例1，其中，距旋转前盖1中心一定距离rfm(rfm＝3～5mm)圆周上均匀布置nfm(nfm＝2～3)个中部前喷嘴1-2，其喷嘴轴线按一定轴向张角αfm(αfm＝0～15°)和切向偏转角βfm(βfm＝10～30°)布置。
在本实施例中，轴向张角和切向偏转角的设计目的分别是扩大射流破岩范围和为钻头旋转提供扭矩，其定义如下：将喷嘴起点且与钻头轴线平行的直线定义为直线一，直线一和钻头轴线所确定的平面定义为平面一。以直线一为基线，先在平面一内转动一定角度，此角度定义为轴向张角α，此时所得的直线定义为直线二。将过直线二且与平面一垂直的平面定义为平面二，在平面二内以直线二为基线转动一定角度，此角度定义为切向偏转角β，此时所得的直线定义为直线三，即喷嘴实际轴线。切向偏转角β的方向为：射流产生的扭矩是使钻头自旋转方向与旋转前盖1和芯轴2配合螺纹拧紧方向相同。在中部喷嘴1-2外围距中心一定距离rfl(rfl＝7～12mm)圆周上均匀布置nfl(nfl＝2～3)个外部前喷嘴1-3，其喷嘴轴线按轴向张角αfl(αfl＝10～30°)和切向偏转角βfl(βfl＝10～25°)布置。由于在射流钻头破岩钻进成孔过程中，中心喷嘴1-1、中部前喷嘴1-2和外部前喷嘴1-3产生的高速空化射流分别破碎钻孔中心、中部和外围岩体，其中外部前喷嘴1-3还要尽可能扩大破岩范围以形成大孔径钻孔。因此，在本发明实例中，中部前喷嘴1-2只偏转一个切向偏转角βfm(βfm＝10～30°)，其目的是为钻头自旋转提供扭矩。而外部喷嘴1-3设计了轴向张角αfl(αfl＝10～30°)和切向偏转角βfl(βfl＝10～25°)，其目的是兼顾扩大钻孔孔径和提供钻头旋转扭矩。为保证每束射流的破岩能力和钻头旋转前盖1受力平衡，中部前喷嘴1-2和外部前喷嘴1-3均布置两个(nfm＝nfl＝2)，且相互交叉呈“十字”分布。需要说明的是，本发明钻头不只限于中部前喷嘴1-2和外部前喷嘴1-3两圈布置，还可根据钻头尺寸和所需钻孔孔径适当减少或增加喷嘴布置圈数。
所述旋转前盖1侧面上加工有圆弧形凹槽，在凹槽内加工有nb(nb＝6～8)个后喷嘴1-4，喷嘴直径为db(db＝1.0～1.2mm)，喷嘴轴线按类似前喷嘴轴线的倾斜角度布置，即轴向张角θ(θ＝20～40°)和切向偏转角γ(γ＝0～20°)，其倾斜布置的目的是为钻头前进提供推进力，同时兼顾进一步扩大钻孔孔径和为钻头自旋转提供扭矩的功能。所述钻头前喷嘴和后喷嘴直径、分布半径和布置角度应满足以下公式：
Figure BDA0003483344660000121
Figure BDA0003483344660000122
式中，Qb、vb和Qf、vf分别为单个后喷嘴和单个前喷嘴射流的流量和速度，m3/s和m/s，可根据射流压力、喷嘴直径和钻头当量直径换算。nf、nb分别为前喷嘴和后喷嘴数量。rbi、rfi分别为前喷嘴和后喷嘴的分布半径，m。ρ为流体密度，kg/m3。αi、βi和θ、γ分别为前喷嘴和后喷嘴的轴向张角和切向偏转角。m为充满水的高压软管单位长度质量，kg/m。μ、η分别为滑动摩擦系数、钻头及高压软管与反排流体间的摩擦系数。l为钻进深度。J为钻头旋转部分的转动惯量，m4。M为机械旋转密封的总摩擦扭矩，Nm。ω为钻头旋转速度。

Claims (3)

1.一种用于自进式水射流破岩钻进的带微型刀齿自旋转空化射流钻头，其特征在于：包括旋转前盖(1)、中心体(4)、组合轴承(6)和弹簧(7)，以及同轴设置的芯轴(2)、端盖(3)、钻头外壳(5)、摩擦环(10)和钻头体(11)；
所述旋转前盖(1)包括前盖本体；所述前盖本体整体为回转体；所述前盖本体具有前盖中心流道；所述前盖中心流道在尾端端面与外界连通；所述前盖中心流道的尾端设置有内螺纹段(1-8)；所述前盖本体的尾端端面上还设置有若干环形凹槽(1-7)；所述前盖本体的首端端面上设置有若干个前端刀齿(1-5)；所述前盖本体的侧壁上设置有若干个侧向刀齿(1-6)；所述前端刀齿(1-5)和侧向刀齿(1-6)均沿钻头旋转方向后倾螺旋布置；所述前盖本体的侧壁上设置有圆弧形凹槽；在凹槽内设置有nb个后喷嘴(1-4)；所述后喷嘴(1-4)倾斜布置；所述前盖本体的首端设置有中心喷嘴(1-1)、nfm个中部前喷嘴(1-2)和nfl个外部前喷嘴(1-3)；所述中部前喷嘴(1-2)环绕中心喷嘴(1-1)布置；所述外部前喷嘴(1-3)环绕中心喷嘴(1-1)布置；所述中心喷嘴(1-1)的轴线与钻头轴线重合；所述中部前喷嘴(1-2)和外部前喷嘴(1-3)倾斜布置；所述中心喷嘴(1-1)、中部前喷嘴(1-2)、外部前喷嘴(1-3)和后喷嘴(1-4)均与前盖中心流道连通；
所述芯轴(2)整体为两端敞口且内中空的圆筒体；所述芯轴(2)具有阶梯型内腔；所述阶梯型内腔包括从首端到尾端依次布置的大径圆柱段和小径圆柱段；所述小径圆柱段在与大径圆柱段的接合位置处设置有若干中心体卡槽(2-4)；所述芯轴(2)的首端的外壁上具有螺纹段(2-1)；所述芯轴(2)的尾端端面上设置有若干止转销(2-3)；所述芯轴(2)的外壁上还设置有环形凸台(2-2)；所述环形凸台(2-2)位于大径圆柱段的对应位置；
所述端盖(3)整体为圆筒体；所述端盖(3)的首端端面上设置有若干环形凸起(3-1)；所述端盖(3)具有阶梯型内腔；所述阶梯型内腔包括从首端到尾端依次布置的通过腔(3-2)和连接腔(3-3)；所述通过腔(3-2)和连接腔(3-3)均为圆柱腔体；所述通过腔(3-2)的直径小于连接腔(3-3)的直径；所述连接腔(3-3)具有内螺纹；所述端盖(3)套设在芯轴(2)的外圆周；所述芯轴(2)的首端穿过通过腔后，螺纹段(2-1)旋入内螺纹段(1-8)；所述端盖(3)的环形凸起(3-1)嵌入对应的环形凹槽(1-7)中，与环形凹槽(1-7)配合形成间隙密封；
所述钻头外壳(5)整体为圆筒体；所述钻头外壳(5)具有阶梯型内腔；所述阶梯型内腔包括从首端到尾端依次布置的容置腔(5-1)和密封腔(5-2)；所述容置腔(5-1)和密封腔(5-2)均为圆柱腔体；所述容置腔(5-1)的直径大于密封腔(5-2)的直径；所述密封腔(5-2)的内壁上设置有环形密封圈凹槽(5-3)；所述环形密封圈凹槽(5-3)中布置有格莱圈(9)；所述钻头外壳(5)的外壁上设置有环形锁止凸楞(5-4)；所述钻头外壳(5)的首端和尾端的外壁上设置有外螺纹；所述钻头外壳(5)套设在芯轴(2)的外圆周；所述芯轴(2)的尾端从密封腔(5-2)伸出；所述环形凸台(2-2)容置在容置腔(5-1)中；所述钻头外壳(5)的首端旋入端盖(3)的连接腔(3-3)；所述端盖(3)的尾端端面与环形锁止凸楞(5-4)抵接；所述芯轴(2)、端盖(3)和钻头外壳(5)合围出组合轴承容置空间；所述组合轴承(6)布置在组合轴承容置空间中；所述组合轴承容置空间的首段抵顶端盖(3)，尾端顶抵环形凸台(2-2)；所述组合轴承(6)的外壁与容置腔(5-1)的内壁贴合，内壁与芯轴(2)的外壁贴合；
所述中心体(4)包括从首端到尾端依次同轴设置的下游绕流段(4-3)、叶轮底座(4-2)和上游绕流段(4-1)；所述叶轮底座(4-2)为圆柱体；所述叶轮底座(4-2)的外圆周上具有若干个叶轮(4-4)；所述上游绕流段(4-1)为流线型圆锥体；所述下游绕流段(4-3)为直线型圆锥体或流线型圆锥体；所述叶轮底座(4-2)与上游绕流段(4-1)及下游绕流段(4-3)的交界处均平滑过渡；所述中心体(4)布置在芯轴(2)的阶梯型内腔中；所述下游绕流段(4-3)容置在小径圆柱段内；所述上游绕流段(4-1)容置在大径圆柱段内；所述若干个叶轮(4-4)对应卡合在中心体卡槽(2-4)中；
所述摩擦环(10)整体为两端敞口且内中空的阶梯型回转体；所述摩擦环(10)包括从首端到尾端依次同轴设置的嵌入段和底座段；所述嵌入段的直径小于底座段的直径；所述嵌入段的圆周外壁上设置有若干密封圈凹槽(10-1)；所述密封圈凹槽(10-1)中布置有密封圈(8)；所述底座段的首端端面上设置有若干导向凹槽(10-2)，尾端端面上设置有若干环向密封凹槽(10-3)；所述摩擦环(10)的嵌入段插入芯轴(2)的阶梯型内腔的大径圆柱段；所述止转销(2-3)嵌入对应的导向凹槽(10-2)中，配合对摩擦环(10)进行轴向定位；所述弹簧(7)套设在上游绕流段(4-1)外围；所述弹簧(7)的两端分别顶抵在叶轮(4-4)上和摩擦环(10)的嵌入段的首端端面上；
所述钻头体(11)整体为圆筒体；所述钻头体(11)具有阶梯型内腔；所述阶梯型内腔包括从首端到尾端依次布置的圆柱腔体Ⅰ、圆柱腔体Ⅱ和圆柱腔体Ⅲ；所述圆柱腔体Ⅰ的直径大于圆柱腔体Ⅱ的直径；所述圆柱腔体Ⅲ的直径大于圆柱腔体Ⅱ的直径；所述钻头体(11)的壁面上设置有若干泄压孔(11-1)；所述泄压孔(11-1)连通圆柱腔体Ⅰ和外界；所述圆柱腔体Ⅰ和圆柱腔体Ⅱ的接合位置处设置有钻头体内部凸台(11-2)；所述圆柱腔体Ⅰ的内壁上设置有内螺纹；所述圆柱腔体Ⅲ的内壁上设置有内螺纹；所述钻头外壳(5)的尾端旋入钻头体(11)的圆柱腔体Ⅰ；所述钻头体(11)的首端端面与环形锁止凸楞(5-4)抵接；所述钻头体内部凸台(11-2)与摩擦环(10)的尾端端面抵接；摩擦环(10)在弹簧7的弹力、高压液体静压力和止转销(2-3)的导向作用下与钻头体内部凸台(11-2)接触形成机械密封，并利用环向密封凹槽(10-3)进行间隙密封；
工作时，射流钻头利用中部前喷嘴(1-2)、外部前喷嘴(1-3)和后喷嘴(1-4)喷射出的高速空化射流产生的反冲力使旋转前盖(1)带动芯轴(2)、中心体(4)和摩擦环(10)转动；高速空化射流主导旋转冲击破岩，刀齿辅助切屑磨损破岩形成钻孔；在射流钻头破岩钻进成孔过程中，中心体(4)随芯轴(2)一同转动；高压水依次通过上流绕流段(4-1)、叶轮(4-4)和下游绕流段(4-3)产生空化气泡；含气泡的高压水从喷嘴喷射出后，便形成高速空化射流；所述中心喷嘴(1-1)、中部前喷嘴(1-2)和外部前喷嘴(1-3)产生的高速空化射流分别破碎钻孔中心、中部和外围岩体；所述后喷嘴(1-4)喷射出的高速空化射流为钻头前进提供推进力。
2.根据权利要求1所述的一种用于自进式水射流破岩钻进的带微型刀齿自旋转空化射流钻头，其特征在于：所述组合轴承(6)为组合滚针轴承；所述组合轴承(6)的首端为滚针轴承侧，尾端为推力轴承侧。
3.根据权利要求1所述的一种用于自进式水射流破岩钻进的带微型刀齿自旋转空化射流钻头，其特征在于：所述前端刀齿(1-5)和侧向刀齿(1-6)为硬质合金切削刀齿。
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