CN104148207A - 具有平衡推力的自调节流体支承高压转动喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高压旋转喷嘴，具有在固定的外壳(B，C)内操作的转动轴(1)，其中由在轴进口处的流体压力引起的作用在轴上的轴向作用力通过如下方式被平衡：允许流向截头圆锥形室的少量加压流体在轴的外侧和外壳的内侧之间通过，其中流体压力可以轴向地在相反方向上作用在轴上以平衡轴向进口作用力。轴向作用力的平衡通过控制流体通过轴和外壳之间的截头圆锥形区域的流出而被自动调节。这进一步地在两个表面之间提供流体支承，并且允许使用具有喷气孔(16)的可互换的转动喷射头(15)，其可以实质上可以被定向成任何理想的配置，包括喷嘴轴向向前。

Description

具有平衡推力的自调节流体支承高压转动喷嘴

本申请是申请号为200980157707.0的中国发明专利申请(申请日：2009年12月23日；发明名称：具有平衡推力的自调节流体支承高压转动喷嘴)的分案申请。

技术领域

本发明提供一种用于高压转动喷水喷嘴的简化和可靠结构，其特别适合于其中运行参数可以在1,000psi至40,000psi范围内的、转动速度为1000rpm或更高并且流量在2gpm至50gpm的工业用途。

背景技术

在这种用途中，用于这种装置的尺寸、结构、成本、耐用性和易于维护性存在许多问题。这种装置的结合长度和直径可能不超过几英寸。更为极端的运行参数和尺寸的大大减少增加了问题。压力、温度和磨损因素影响使用这种装置的耐用性和易于维护性以及随之而来的成本、不便和安全。在这种装置中使用小金属零件和质量差的材料可能导致其恶化或破损以及小的喷射排出孔或类似物的相关故障和干扰。本发明通过提供具有数量大大减少的零件的简化结构和其中喷嘴部件上的净操纵力被最小化的设计来解决这些问题。

发明内容

本发明提供用在约1,000psi至40,000psi的高压(HP)范围的喷嘴，该喷嘴具有到装置的末端处的喷头的“直通”流体路径，其中该喷头优选地能够提供大于半球范围的转动覆盖，包括直接地沿着装置的转动轴线的区域。在典型的喷嘴组件中，源自这种运行压力的内部作用力倾向于产生作用在喷嘴轴上的轴向推力，该推力对应于运行压力和轴的横截面面积。采用机械支承的现有技术装置的示例显示在申请人的在先美国专利No.6,059,202中。这个现有技术装置提供的优势在于，加压工作流体从流体源的进口到喷嘴头可以采取“直通”。然而，在此装置中，转动喷嘴轴通过一系列堆叠轴承克服内部轴向推力而被支撑，在没有增加装置直径的情况下，用多个轴承支撑相对高的推力载荷。在这样的装置中，机械轴承已被用来作为径向轴承和推力轴承，然而这种轴承的尺寸和/或数量主要由对抵制推力的需要决定。

通常已经认为可取的是保持喷嘴的任何转动部分的直径小于这个喷嘴的最大直径，从而转动部分和将被清洗的任何表面之间的接触被最小化或消除，从而最大限度地减少对喷嘴的磨损和与喷嘴喷射的转动运动的干扰。其他现有技术装置使用围绕提供流体源的中心管转动的喷嘴。不过由于上述原因，这样的装置虽然能够提供由它们的转动主体覆盖的圆筒形路径，但不能很好地适于提供可以包括非常接近装置的转动轴线的路径和“直通”流体路径两者的转动覆盖(rotating coverage)。

与这种现有技术装置相比，本发明的装置提供非常简单的结构，其也提供直通流体路径，其中还允许工作流体的压力到达并且作用在转动喷嘴轴的相对表面上，从而有效地平衡任何轴向推力。进一步，具有比喷嘴主体小的直径的可拆卸的小喷射头可以附着在喷嘴的引导端处，以提供用于高压流体的改进的覆盖图案(coverage pattern)。这通过提供“流出孔”而实现，以允许加压流体的小部分达到外壳内的室或通道，但是在喷嘴轴的向前部分的外部的外侧，其中流体压力可以以足够的轴向分量作用在喷嘴轴上，从而平衡由内部流体压力产生的作用在喷嘴轴上的相应的轴向分量。这个室或通道通过稍微锥形的截头圆锥形孔与装置的外部连通，锥形的截头圆锥形孔围绕轴的相应的锥形部分，这进一步允许流体在主体和轴之间流动以便于或润滑轴转动。

由于锥形形状，外壳和轴之间的间距随着轴的轴向运动而略有变化，并产生“自我平衡”效果，其中，轴上的轴向力保持平衡，并且总有一些流体在轴和外壳之间流动，其有助于减少接触，并且降低这两个组件之间产生的磨损。由于缺乏任何明显的不平衡径向作用力以及在轴和外壳的表面之间流动的流体，可以在不需要机械轴承的情况下构造本发明的装置。

此外，环形槽或通道围绕轴的进口端设置在所述外壳主体邻接所述轴的进口端部分的内表面中。令人惊讶的是，这个环形通道提高了围绕轴的进口端的流体的流出流动，从而在本质上减少转动引起的旋进对轴的影响，从而提高喷嘴的可操作性。

本发明的一个目的在于简化小的高压喷嘴的移动部分的配置以降低成本和零部件的数量，以及便于耐磨部件的经济制造和更换。

本发明的另一个目的是，通过改善支承零件的配置和消除迄今为止用来抵抗由通常涉及的流体压力产生的轴向作用力的机械轴承的使用，来提供可转动的高压喷嘴的改进操作。

本发明的另一目的是帮助实现小的耐用的、重量轻的细长和小直径的转动式高压喷雾喷嘴组件，其可以方便地装载在喷枪的端部上，并且容易地插入小直径管和类似物，以对直径管和类似物进行清洁，以及可使用在其他结构或大的平面区域上。

本发明的另一目的是提供转动高压喷嘴，其中对持续维护的需求被最小化。

本发明的另一目的是提供转动喷嘴，其中由工作流体作用在转动轴上的作用力被平衡以消除对单独的机械推力轴承的需求。

本发明的另一目的是提供转动喷嘴，当在非常高的压力处和在非常小的直径(如清洗换热器管所需要的那些)中操作时，其是简单的并且机械地可靠的。

本发明的另一目的是提供转动喷嘴，其中转动轴由工作流体支撑和润滑持，而不需要单独的机械轴承或单独的润滑剂。

本发明的另一目的是提供转动喷嘴，用于与高压流体一起使用，而在相对转动部件之间不需要紧密的机械密封。

本发明的进一步目的是提供转动喷嘴，用于与高压流体一起使用，其中不同配置的喷射头能够容易地互换。

本发明的另一目的是提供一种喷嘴，其具有小的可拆卸喷射头，该喷射头具有比喷嘴主体小的直径，并且其可以在包括向前轴向方向的路径中提供不受限制的喷射。

附图说明

图1是优选实施例的喷嘴截面，其中锥形调节通道还作为平衡室。

图2是可替换实施例的喷嘴的横截面，其中平衡室与锥形调节器通道分开。

图3是对应图2的横截面，显示轴位于稍微不同的轴向位置。

图4是如图1所示的喷嘴的结构变化的横截面，其中环形槽设置在喷嘴主体的每个支承区域中。

图5是按照本发明的喷嘴的另一个实施例的截面视图。

图6是按照本发明的喷嘴的另一个实施例的截面视图。

具体实施方式

在图2中最清楚可以看出，本发明的一个实施例包括简单的三件式转动喷嘴结构。中空圆柱形转动轴A包含在由进口部C和出口部B组成的两个部分外壳或主体中。使用允许装置的装配和拆卸(包括允许轴A容易地插入或移出)的螺纹或其他类似的紧固装置2将外壳部分固定在一起并且密封。进口部C提供用于高压流体的进口3，该高压流体通过由任何适当的装置(最常用的是匹配的螺纹接头)连接到该进口的软管或其他类似的装置供给到该装置。用于每个喷嘴部分的合适材料将具有相当高的强度并且耐磨性，例如，各种高镍不锈钢。青铜管状轴A或青铜主体B可以替换地用来增强耐磨损性。出于任何已知的好处，如润滑或耐磨性，可使用表面处理或电镀。

在外壳进口部的相对端处是接收转动轴A的进口端6的圆筒形腔5。外壳和和轴之间的环形界面7的尺寸形成为最小化泄漏，同时仍然允许在流体的微小缓冲的情况下转动轴A。典型地，界面7的间隙将为约0.0025″至0.0005″。为了允许便于轴A和主体部分之间的转动运动的流体层，希望在界面7处存在某种流体通道。界面7处密封的需要的消除降低了提供这种密封的生产费用和复杂性。主体部分B设置有至外面的径向“排水或滴落(weep)”孔8，用于通过界面7或者沿轴A的外部的其他路径的流体的溢出。

轴进口10通向腔5，以将流体流直接提供到轴A的中心孔11中。在正常操作情况下，加压流体在轴A的进口端6上施加轴向力，其在此被称为“输入作用力”。这种作用力直接与(1)进口端6垂直于流体流动方向的面积和(2)流体的压力成正比。这就是本发明希望用相等的相反作用力来抵消的这种轴向作用力。

当流体进入轴时，大部分流体将经过轴的中心孔，通过连接到轴的出口端12的喷嘴头15流出。喷嘴头15将通常设置有流出孔或孔口16，其定位为将高压流体引向将被清洗的表面，并且被定向为给予反作用力以转动喷嘴头和轴。

消除对专用推力轴承的需要的显著特征在于提供一个或多个通道20，通道20连通在轴的中心孔11和室21之间，室21限定在轴A的外表面和外壳部分B的内表面之间并且具有出口，该出口具有足够的限制以保持室内的流体压力。

一个通道或多个通道20理想地被配置为允许加压流体以最少限制达到室21，以允许在室21内达到足够的压力，从而作用在轴的由台阶状肩部22形成的环形表面上。可替换地，对于极端压力操作，例如，在40,000psi范围内的操作，通道20的尺寸可以形成为限定达到室21的流体压力。台阶状肩部22具有直接地垂直于装置的轴线的表面23。作用在这个表面上的流体压力引起推力(其在此处将被指定为“阻力”)，其具有作用在轴上的净轴向分量，该净轴向分量与前面描述的输入作用力相反并且能够反抗输入作用力。

在图2和3所示的实施例中，合适尺寸是在进口10处的轴直径为0.182″，室21的外径和内径分别为0.326″和0.257″。轴和外壳两者沿间隙30的相应锥形角度是0.57度，外壳内径在锥形长度上从0.257″变细到0.250″。

为了使输入作用力和阻力可以保持平衡，室或腔21沿着由轴A和外壳部分B的相应的成形部分之间的狭窄截头圆锥体/圆锥形间隙30限定的路径设置有出口和调节通道。在轴相对于外壳轴向地移动时，锥形配置允许间隙的尺寸变化。例如，间隙30的宽度可以变化，当轴A朝向图3所示的喷气头(jet head)定位时，间隙30的宽度约为0.0001″。当轴移动到朝向图2中所示的进口的位置时，间隙30的宽度可以打开到约0.001″。较大的间隙允许更多加压流体的溢出，导致作用在轴上的阻力相应减少。相反地，较小的间隙允许压力的增加。输入作用力和阻力之间的任何失衡导致轴的一些轴向运动，这以趋于重新平衡这些相反作用力的方式增加或减少间隙。因此，达到输入作用力和阻力保持动力学平衡的均衡状态。

本发明的另一个实施例如图1所示，其中所描述的功能特性被结合并设置成简单的结构。对于将存在的轴向阻力，只要具有有效地垂直于转动轴线的面分量(areal component)的表面，则没有必要具有如上所述实际上垂直于轴线的表面，。在如图1所示的简化结构中，从轴孔11开始的端口与锥形出口通道31直接连通，锥形出口通道31用作其中产生平衡阻力的平衡室或腔和调节通道的双重功能，以控制产生阻力的压力大小。由于作用在截头圆锥体表面的上任何一点的作用力同时施加径向力和轴向力，在表面上的这种作用力的总量产生净轴向力并且没有净径向力。下表说明在使用一个优选实施例的锥形设计的情况下适合每分钟8和50加仑之间的流量的各种参数的尺寸(英寸)。

图4中显示另一个实施例。此图显示图1的喷嘴结构的变化，其中相同元件在结构上等同并据此相应地编号。围绕外壳部分B的锥形部的环形槽41便于加压流体在其流出轴A中的孔20时分配进入外壳部分B的截头圆锥体状锥形部和轴A的相同锥形部之间的调节通道31。

令人惊讶地，如图4所示，已经发现，通过在毗邻轴A的进口支承区域32的部分C的内壁中增加圆周环形槽或室42而出乎意料地增强了图1的结构的一般功能特征。这个通道或室42在转动轴A和主体部分C之间的进口支承区域32中围绕轴A提供连续无限制的圆周流体循环路径。尽管在图1-3所示的实施方案中，进口流体被设计以轴向地滴落或流过通过进口支承区域32，图4中所示实施例中这个凹槽的存在出乎意料地提高了轴的稳定性。据认为，通道42可以提高围绕轴A通过支承区域32的小的渗出流体的圆周分布，这反过来又最大限度地减少在操作过程中的轴线旋进(procession)的影响。结果是减少或至少保持机械摩擦水平的恒定性，该机械摩擦可能产生在相对移动部件之间，并且其否则可能阻碍转动运动。

如图4所示，这个环形通道或室42，优选具有大致矩形断面形状，虽然其他形状可能会导致类似性能。较佳地，只提供单个通道42。优选地，单个通道42可以具有约0.030英寸至约0.050英寸之间的宽度和约0.020英寸至0.030英寸之间的深度。虽然，可替换地，室42可以形成在轴A的进口端的外表面中，但采用形成在外壳部分C的进口支承区域中的室42看起来达到最佳结果。环形室41由被加工到外壳部分B的内表面中的凹槽形成。可替换地，相信类似的凹槽可以被加工到轴A的外部表面中而不是在外壳部分B中，以达到类似结果。凹槽42是具有大致矩形截面的环形通道。凹槽41是具有弧形截面的环形通道。横断面构造在凹槽41和42之间可以反转，虽然在轴A的邻近轴孔20的锥形部中槽41的弧形截面是优选的。可替换地，凹槽41和42可以具有不同的截面形状。

喷嘴100的另一个实施例如图5所示。这个喷嘴100与图1中所示喷嘴10相似，除了平衡喷嘴100的转动所需要的总的泄漏率约以4为因子降低之外。如图5所示，喷嘴100具有固定到高压进口螺母104的主体102。进口螺母104通过扣环103固定到主体102。捕获在主体102和进口螺母104之间的是被转动地支撑在形成进口螺母104的进口支承区域的杆105上的截头圆锥体形轴106。喷头107固定到轴106以使轴106和头107两者作为整体单位一起转动。进口螺母104及其进口支承区域(杆105)具有中心孔111，中心孔111引导流体流进入并且通过喷头107中的相应喷孔。

在操作过程中，通过进口螺母104中的中心孔111引入高压流体。这种高压流体通过喷头107流出。流体的一部分沿着并围绕沿着进口支承区域(即，杆105的外侧)的泄漏路径110流过轴106中的通道108，到达主体102和轴106之间的截头圆锥体状锥形界面。该流体然后分叉并且在相反的方向上向外流动，首先沿着泄漏路径112向前以在喷头107周围流出喷嘴100，并还沿路径112向后到达进口螺母104和轴106的后面112之间的间隙空间113。这部分流体然后通过进口螺母104中的孔114并且经过固定器103到达大气。正如在图1中所示的实施例中，轴106在操作过程中变得在杆105上动态地平衡，从而不需要机械支承。流动通过泄漏路径110和112的流体的润滑充分地支撑和润滑轴106和所附的喷头107。在此实施例中，泄漏路径110在流体到达通道108时产生约90％的压力降，以将流体提供到外锥形体，即泄漏路径112。这允许以约4倍的因子减少总泄漏率。

按照本发明的喷嘴200的进一步的可替换实施例如图6所示。在这个可替换实施例中，喷头210和主体204连接在一起并且围绕轴206转动，轴206固定到进口螺母202。喷嘴200具有通过螺纹208固定到截头圆锥体形轴206的进口螺母202。主体204具有互补截头圆锥体形腔，该腔与轴206的腔匹配和接合。在此实施例中，杆205连接到喷头210或作为喷头210的一体部分，而不是如在喷嘴100中那样作为进口螺母202的一体部分。喷头210还通过开环固定器207固定到主体204，以使喷头210和主体204作为单个单元转动。当组装喷嘴200时，轴206的截头圆锥体形外表面和主体204的截头圆锥体形内表面形成锥形截头圆锥状泄漏路径220。

在操作过程中，通过进口螺母202引导高压流体通过中心孔211。这种高压流体通过喷头210流出。一部分流体沿着和围绕沿着进口支承区域(即，杆205的外侧)的泄漏路径212流过轴206中的通道218，到达主体204的截头圆锥体形锥形部和轴206之间的界面(调节通道)。这个流体分叉并且在相反的方向上向外流动，首先沿泄漏路径220向前流动到间隙空间213，并且然后通过孔214到达头210周围的大气，并且还沿路径220向后到达螺母202处处的大气。正如在图1和4中实施例所示的那样，主体204和喷头210在操作过程中变得在轴206内的杆205上动态地平衡，从而不需要机械支承。流过界面216周围的泄漏路径220和沿着杆205的路径212的流体的润滑充分地支撑和润滑主体204和轴206上所附的喷头210。在此实施例中，泄漏路径212在流体到达通道218时产生90％的压力降，以将流体提供到外锥体，即泄漏路径220。这允许如在喷嘴100中一样以约4倍的因子减少总泄漏率。

因此，将实施例200与实施例100相比，可以看出在两个实施例中，主体和轴彼此相对地转动。他们都具有互补的圆锥表面形状，互补的圆锥表面共同在其间形成调节通道，或泄漏路径112、220。在喷嘴100中，轴106固定到喷头107并且与其一起转动。在喷嘴200中，轴206固定到进口螺母202并且保持静止，而主体204固定到喷头210并且经由杆205围绕固定轴206转动。注意，在喷嘴200中，杆205与喷头210一体并且从喷头210延伸，而不是如在喷嘴100中那样从螺母104延伸。因此，在喷嘴100和200的两个实施例中，主体102、204和轴106、206彼此相对地转动，并且分别围绕杆105和205转动。在喷嘴100和200两者中，进口流体流动通过孔111、211到达喷头107、210，并且流体从进口螺母104和202流动进入并且通过围绕杆105、205的第一泄漏路径110、212，到达轴106、206和杆105、205之间的孔108、218，并且然后通过孔108、218到达主体102、204的截头圆锥体形界面110、216。流体然后分流并且沿着截头圆锥体形界面泄漏路径112、220(即调节通道)流动，在两个实施方案中邻近螺母104、202并通过孔114、214排出到大气。

因此，比较实施例200与实施例100，可以看出，在两个实施例中，主体和轴彼此相对转动，并且它们都具有互补的截头圆锥体状锥形表面形状，共同在其间形成调节通道，即，泄漏路径112、220。在每个实施例中，调节通道内的流体压力轴向地作用在轴上，以抵抗所述轴上的源自作用在所述轴的所述进口端上的流体压力的轴向作用力，从而动态地平衡转动部件，而在喷嘴100、200的结构中不需要任何种类的机械支承。

根据本文所述的功能和益处，本发明是要由下面的权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于将高压流体喷射到目标上的喷嘴组件，该组件包括：

中空外壳主体；

中空管状轴部件，能够在外壳主体内同轴地转动，并且具有位于所述外壳主体内并靠近所述外壳主体的一端的流体进口端，所述轴部件具有靠近外壳主体的用于固定喷头至其上使喷头随所述轴旋转的第二端的出口端，所述轴部件具有中心轴向通道，该中心轴向通道用于将流体从所述进口端通过该中心轴向通道轴向地引导至所述出口端，所述主体具有与所述轴的所述中心通道连通的高压流体进口通道；

调节通道，形成在所述外壳主体和所述轴之间，靠近所述轴的所述出口端；和

在轴的中心通道和轴部件的外表面的一部分之间连通的通道，其中，其中所述调节通道内的所述流体的压力轴向地作用在所述轴上，以平衡由作用在所述轴的所述进口端上的流体压力施加在所述轴上的轴向作用力，并且，外壳主体具有支撑管状轴部件的进口端的进口支承区域和形成在外壳主体中的在进口支承区域周围的单个环形通道。

2.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中，所述调节通道是限定在所述管状轴和所述外壳主体之间的锥形截头圆锥体状间隙。

3.根据权利要求2所述的喷嘴组件，其中，所述调节通道的体积能够随着所述管状轴在所述外壳主体内轴向地移动而变化。

4.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其中，在喷嘴的加压操作过程中，所述管状轴上的轴向作用力达到平衡，以使在所述管状轴和所述外壳主体之间没有轴向接触。

5.根据权利要求4所述的喷嘴组件，其中，在喷嘴的加压操作过程中，所述管状轴通过所述轴和所述外壳之间的工作流体的流动而被完全地支撑在所述外壳内。

6.一种用于将高压清洗流体转动地喷射到将被清洁的目标上的喷嘴组件，该组件包括：

中空圆柱形外壳主体；

中空管状轴部件，被同轴地支承在外壳主体内，所述轴部件具有位于所述外壳主体内并靠近所述外壳主体的一端的流体进口端，所述轴部件具有从外壳主体的第二端突出的出口端，该出口端被配置为容纳固定到其上的喷头，用于使喷头与所述轴一起转动，所述轴部件具有用于将流体从所述进口端通过所述进口端轴向地引导至所述出口端的中心通道，所述外壳主体具有与所述轴的所述中心通道轴向地连通的高压流体进口通道；

所述外壳主体的内壁和所述轴的邻近所述轴的所述出口端的部分具有互补的锥形表面形状，所述互补的锥形表面在其间共同形成调节通道；

所述轴部件具有在轴部件的中心通道和调节通道之间连通的一个或多个孔，其中在所述调节通道内的清洗流体的压力轴向地作用在所述轴上，以抵抗所述轴上的源自作用在所述轴的所述进口端上的流体压力的轴向作用力；和

其中，外壳主体具有支撑管状轴部件的进口端的进口支承区域，并且外壳主体具有在进口支承区域周围形成的单个环形通道，该环形通道邻接轴部件的进口端部分。

7.根据权利要求6所述的喷嘴组件，其中，所述调节通道是限定在所述管状轴和所述外壳主体之间的截头圆锥体状间隙。

8.根据权利要求7所述的喷嘴组件，其中，所述调节通道的体积能够随着所述管状轴在所述外壳主体内轴向地移动而变化。

9.根据权利要求8所述的喷嘴组件，其中，在喷嘴的加压操作过程中，所述管状轴上的轴向作用力达到平衡，以使在所述管状轴和所述外壳主体之间的轴向接触最小化。

10.根据权利要求6所述的喷嘴组件，其中，在喷嘴的加压操作过程中，所述管状轴由所述轴和所述外壳之间的流体完全地支撑在所述外壳主体内。