[发明专利]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

权利要求书

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n_b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)、n_fm个中部前喷嘴(1-2)和n_fl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。