一种推进力可调的双向自平衡旋转水射流钻孔装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种推进力可调的双向自平衡旋转水射流钻孔装置，包括喷头、旋转轴、壳体和用于连接高压管的接头；喷头和接头分别设置在旋转轴的两端，壳体套设在旋转轴上；喷头上设置有用于安装前喷嘴的前喷孔和用于安装后喷嘴的后喷孔；旋转轴上设置有第一锥面，壳体上设置有与该第一锥面匹配的第二锥面，第二锥面圆周设置有凹向其内部的第一沟槽，旋转轴与接头的对接面上沿圆周方向设置有凹向旋转轴内部的第二沟槽；本发明专利技术通过选用不同直径孔眼的前、后喷嘴可实现对装置推进力和推进方向的控制。针对不同规格的前、后喷嘴和不同大小和方向的推进力，装置内的两组腔体均可自动的实现平衡，保证喷头的高速转动。

A two-way self balance rotating water jet drilling device with adjustable propulsion

【技术实现步骤摘要】
一种推进力可调的双向自平衡旋转水射流钻孔装置
本专利技术属于煤层瓦斯抽放钻孔
，具体涉及一种推进力可调的双向自平衡旋转水射流钻孔装置。
技术介绍
高压水自旋转喷头早期多用于管道清洗领域，是一种高效、多用途的水射流清洗工具；近些年，随着煤层气开采技术的不断发展，高压水自旋转喷头开始被应用于煤层气强化增产
，利用高压水射流能量高度集中的特点，实施对煤层、岩层的破碎和切割，达到增加煤储层透气性的目的。目前，现有的高压水自旋转喷头存在以下几个问题：(1)针对不同硬度层位的钻孔施工，需要匹配不同孔径的喷嘴，以达到最优的射流切削效率和装置推进力。不同规格的前、后喷嘴会形成不同大小和方向的推进力，现有技术无法实现大范围的推进力调节和推进力处于不同方向时的喷头自平衡。(2)不同钻孔的硬度不同，同一钻孔不同深度时的硬度也会有所变化，当装置钻遇硬度较低煤岩体时，由于喷头推进力不变，射流切屑速度加快，装置的给进速度也会加快，同一深度的射流切屑时间就会相应减小，从而容易导致局部钻孔孔径过小，后续直径较大装置无法顺利通过，钻孔无法顺利完成。当装置钻遇硬度较高煤岩体时，由于推进力不变，射流喷头在同一深度的切割时间无法有效延长，也会发生射流有效切割半径较小问题。为此，本专利技术的设计者有鉴于现有技术存在的上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期从事相关产业的经验和成果，研究出一种推进力可调的双向自平衡旋转水射流钻孔装置，以克服上述问题。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种推进力可调的双向自平衡旋转水射流钻孔装置，解决目前的高压水自旋转喷头在不同硬度的煤层无法实现大的推进力调节范围和推进力处于不同方向时的喷头自平衡的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：一种推进力可调的双向自平衡旋转水射流钻孔装置，包括喷头、旋转轴、壳体和用于连接高压管的接头；所述的喷头和接头分别设置在旋转轴的两端，壳体套设在旋转轴上；所述的喷头上设置有用于安装前喷嘴的前喷孔和用于安装后喷嘴的后喷孔；所述的旋转轴上设置有第一锥面，第一锥面从接头至喷头的方向逐渐收缩；所述的壳体上设置有与该第一锥面匹配的第二锥面，所述的第一锥面和第二锥面的锥角相同；所述的旋转轴上设置有从第一通孔贯通至第一锥面处的第三通孔，沿所述的第二锥面圆周设置有凹向其内部的第一沟槽，通过第三通孔向第一沟槽内输入高压水；所述的旋转轴与接头的对接面上沿圆周方向设置有凹向旋转轴内部的第二沟槽；所述的第一沟槽(302)和第二沟槽(207)的大小满足以下条件：其中：S第一沟槽表示第一沟槽沿旋转轴轴向的投影面积；S轴表示旋转轴尾部插入接头部分轴的横截面积；S第二沟槽表示第二沟槽的横截面积；表示所有后喷孔沿轴向的等效面积之和，S后i表示第i个后喷孔喷射水流对装置所产生的反作用力沿装置旋转轴轴向的分力除以装置腔体内压力所得到的面积，i＝1,2,…,n，n表示后喷孔的个数；表示所有前喷孔沿轴向的等效面积之和，S前j是指第j个前喷孔喷射水流对装置所产生的反作用力沿装置旋转轴轴向的分力除以装置腔体内压力所得到的面积，j＝1,2,…,m，m表示前喷孔的个数。优选的，3≤m≤5，2≤n≤4。具体的，所述的旋转轴包括依次连接的第一圆柱轴、锥形轴和第二圆柱轴，第一圆柱轴与喷头固接，第三圆柱轴插接在第二通孔中，锥形轴上第一锥面自第二圆柱轴端部逐渐收缩第一圆柱轴，锥形轴的大端直径大于第二圆柱轴的直径，锥形轴大端的底面上设置有所述的第二沟槽。进一步的，还包括阻隔环，所述的阻隔环上设置有与壳体外径匹配的内孔，所述的阻隔环固定在壳体上；所述的后喷孔在阻隔环处的喷射轨迹位于阻隔环的外侧。具体的，阻隔环整体轮廓为环形结构，所述的阻隔环上设置有沿其轴向贯通的排水孔，排水孔沿圆周方向设置有多个。具体的，所述的第三通孔至少有两个，围绕第一锥面对称设置。具体的，所述的旋转轴的第一通孔壁上设置有一圈第一导水槽，第一导水槽与第三通孔连通。具体的，所述的接头的第二通孔壁上设置有一圈第二导水槽。具体的，所述的喷头包括锥体段、空心圆柱体段和设置锥体段与空心圆柱体段间的过渡段，其中，锥体段的最大直径大于空心圆柱体段的直径，过渡段从锥体段的最大直径处逐渐收缩至空心圆柱体段；空心圆柱体段的内部设置有用于与旋转轴连接的螺纹，锥体段的锥面为向外凸的弧形面；所述的前喷孔设置在锥体段的锥面上，所述的后喷孔围绕过渡段圆周设置。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)采用本专利技术的钻孔装置的喷头与喷嘴为分体式结构，可根据实际需要更换同规格孔径大小的喷嘴，或者当任意喷嘴发生损坏或堵塞时只需利用工具将原有喷嘴拆出更换即可，大大提升了装置的便捷性；在喷头喷孔大小变化时，通过旋转轴和壳体之间的第一沟槽形成的腔体、以及旋转轴与接头之间的第二沟槽形成的腔体，使得壳体与旋转轴之间、接头与旋转轴之间形成持续性水流动，进而形成一层水膜，降低部件之间的摩擦力，在喷头射流力的作用下，实现旋转轴和喷头的高速旋转。高速旋转的喷头喷出的水柱形成一个规则的圆柱形包络面，进一步保证了钻孔孔壁的规则性。(2)本专利技术通过在壳体前端设计阻隔环，当装置钻进过快孔径过小时，阻隔环无法通过，装置会停止推进，从喷头后喷孔喷出来的高压水会反复切削阻隔环卡滞部位的煤岩，直至阻隔环能够顺利通过时，装置才能重新向前推进。从而保证所施工钻孔的最小孔径不小于阻隔环外径。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明图1是本专利技术实施例所示的钻孔装置的整体结构图。图2是本专利技术实施例所示的推进力向前时装置剖视图。图3是本专利技术实施例所示的推进力向后时装置剖视图。图4是本专利技术的实施例所示的外壳的剖视图。图5是本专利技术的实施例所示的接头的剖视图。图6是本专利技术的实施例所示的旋转轴的剖视图。图7是本专利技术的实施例所示的阻隔环的示意图。图8是本专利技术的实施例所示的喷头的示意图。图9是本专利技术的实施例所示的喷嘴的示意图。图10是钻孔过程中阻隔环功能实现示意图。图中各标号表示为：1-喷头，2-旋转轴，3-壳体，4-接头，5-阻隔环；101-锥体段，102-空心圆柱体段，103-过渡段，104-前喷孔，105-后喷孔，106-喷嘴主体，107-喷射孔，108-螺纹；201-第一通孔，202-第一圆柱轴，203-锥形轴，204-第二圆柱轴，205-第一锥面，206-第三通孔，207-第二沟槽，208-第一导水槽；301-第二锥面，302-第一沟槽，303-泄水孔，304-盲孔；401-第二通孔，402-第二导水槽。501-内孔，502-排水孔，503-螺纹孔。以下结合附图和具体实施方式对本专利技术的具体内容作进一步详细解释说明。具体实施方式本专利技术中单个前喷孔沿轴向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种推进力可调的双向自平衡旋转水射流钻孔装置，包括喷头(1)、旋转轴(2)、壳体(3)和用于连接高压管的接头(4)；所述的喷头(1)和接头(4)分别设置在旋转轴(2)的两端，壳体(3)套设在旋转轴(2)上，其特征在于，/n所述的喷头(1)上设置有用于安装前喷嘴的前喷孔(104)和用于安装后喷嘴的后喷孔(105)；/n所述的旋转轴(2)上设置有第一锥面(205)，第一锥面(205)从接头(4)至喷头(1)的方向逐渐收缩；所述的壳体(3)上设置有与该第一锥面(205)匹配的第二锥面(301)，所述的第一锥面(205)和第二锥面(301)的锥面角度相同；所述的旋转轴(2)上设置有从第一通孔(201)贯通至第一锥面(205)处的第三通孔(206)，沿所述的第二锥面(301)圆周设置有凹向其内部的第一沟槽(302)，通过第三通孔(206)向第一沟槽(302)内输入高压水；所述的旋转轴(2)与接头(4)的对接面上沿圆周方向设置有凹向旋转轴(2)内部的第二沟槽(207)；/n所述的第一沟槽(302)和第二沟槽(207)的大小满足以下条件：/n

【技术特征摘要】
1.一种推进力可调的双向自平衡旋转水射流钻孔装置，包括喷头(1)、旋转轴(2)、壳体(3)和用于连接高压管的接头(4)；所述的喷头(1)和接头(4)分别设置在旋转轴(2)的两端，壳体(3)套设在旋转轴(2)上，其特征在于，
所述的喷头(1)上设置有用于安装前喷嘴的前喷孔(104)和用于安装后喷嘴的后喷孔(105)；
所述的旋转轴(2)上设置有第一锥面(205)，第一锥面(205)从接头(4)至喷头(1)的方向逐渐收缩；所述的壳体(3)上设置有与该第一锥面(205)匹配的第二锥面(301)，所述的第一锥面(205)和第二锥面(301)的锥面角度相同；所述的旋转轴(2)上设置有从第一通孔(201)贯通至第一锥面(205)处的第三通孔(206)，沿所述的第二锥面(301)圆周设置有凹向其内部的第一沟槽(302)，通过第三通孔(206)向第一沟槽(302)内输入高压水；所述的旋转轴(2)与接头(4)的对接面上沿圆周方向设置有凹向旋转轴(2)内部的第二沟槽(207)；
所述的第一沟槽(302)和第二沟槽(207)的大小满足以下条件：






其中：S第一沟槽表示第一沟槽沿旋转轴轴向的投影面积；S轴表示旋转轴尾部插入接头中的横截面积；S第二沟槽表示第二沟槽的横截面积；表示所有后喷孔沿轴向的等效面积之和，S后i表示第i个后喷孔喷射水流对装置所产生的反作用力沿装置旋转轴轴向的分力除以装置腔体内压力所得到的面积，i＝1,2,…,n，n表示后喷孔的个数；表示所有前喷孔沿轴向的等效面积之和，S前j是指第j个前喷孔喷射水流对装置所产生的反作用力沿装置旋转轴轴向的分力除以装置腔体内压力所得到的面积，j＝1,2,…,m，m表示前喷孔的个数。


2.如权利要求1所述的推进力可调的双向自平衡旋转水射流钻孔装置，其特征在于，3≤m≤5，2≤n≤4。


3.如权利要求1所述的推进力可调的双向自平衡旋转水射流钻孔装置，其特征在于，所述的旋转轴(2)包括依次连接的第一圆柱轴(202)、锥形轴(203)和第二圆柱轴(204)，第一圆柱轴(202)与喷头(1)固接，第三圆柱轴(204)插接在第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：李坤，姚亚峰，张金宝，梁春苗，沙翠翠，宋海涛，彭涛，王力，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61