一种射流后混合磨料的喷射装置

摘要

本发明提供了一种射流后混合磨料的喷射装置，该喷射装置包括：喷头体，其设置有喷射出口；磨料嘴，其安装于所述喷头体，所述喷头体中设有环绕所述磨料嘴的环腔，所述喷射出口与所述环腔相连通；安装于所述喷头体的流体输入接头，所述流体输入接头与所述环腔相连通；所述磨料嘴设置有磨料孔道，所述磨料孔道与所述环腔相连通。通过本发明，提高了隧道掘进机对硬岩的掘进效率。

权利要求

1.一种射流后混合磨料的喷射装置，其特征在于，包括：

喷头体，其设置有喷射出口；

磨料嘴，其安装于所述喷头体，所述喷头体中设有环绕所述磨料嘴的环腔，所述喷射出口与所述环腔相连通；

安装于所述喷头体的流体输入接头，所述流体输入接头与所述环腔相连通；

所述磨料嘴设置有磨料孔道，所述磨料孔道与所述环腔相连通；

所述环腔包括沿磨料的流向依次分布第一圆柱腔部、第一圆锥腔部和第二圆柱腔部，所述磨料嘴的出料端伸入第二圆柱腔部；

所述磨料嘴的出料端的外侧壁设置有射流槽；

所述射流槽的槽底外径记为φ2，所述第二圆柱腔部的内径记为φ3，φ2＜φ3。

2.根据权利要求1所述的射流后混合磨料的喷射装置，其特征在于，所述磨料孔道与所述喷射出口共轴设置，所述环腔为与所述磨料孔道共轴的圆环形。

3.根据权利要求2所述的射流后混合磨料的喷射装置，其特征在于，所述流体输入接头设置于所述环腔的侧面，所述流体输入接头的流体输入方向与所述环腔的轴向相垂直。

4.根据权利要求1所述的射流后混合磨料的喷射装置，其特征在于，所述磨料嘴具有沿磨料的流向依次分布的第一本部和出料端部，所述出料端部的外径小于所述第一本部的外径，所述射流槽自所述第一本部延伸至所述出料端部。

5.根据权利要求1所述的射流后混合磨料的喷射装置，其特征在于，所述磨料嘴具有第二本部和定位挡环，所述定位挡环包括环形体和多个连接于所述环形体的侧壁的凸起部，所述环形体连接于所述第二本部的出料端，多个所述凸起部绕所述环形体圆周间隔分布，相邻两个所述凸起部之间设有流体槽。

6.根据权利要求5所述的射流后混合磨料的喷射装置，其特征在于，所述环腔包括沿磨料的流向依次分布第一圆柱腔部、第一圆锥腔部和第二圆柱腔部，所述第二圆柱腔部的内径小于所述第一圆柱腔部的内径；所述凸起部外壁贴合于所述第一圆柱腔部的内壁和所述圆锥腔部的内壁。

7.根据权利要求5所述的射流后混合磨料的喷射装置，其特征在于，所述磨料嘴具有连接于所述第二本部的入料端的磨料嘴压头，所述磨料嘴压头安装于所述喷头体。

8.根据权利要求1所述的射流后混合磨料的喷射装置，其特征在于，所述喷射装置包括射流导管，所述射流导管安装于所述喷射出口，所述射流导管包括第二圆锥腔部和第三圆柱腔部，所述第二圆锥腔部与所述第三圆柱腔部沿磨料的流向依次分布，所述第二圆锥腔部、所述第三圆柱腔部与所述磨料孔道共轴设置。

9.根据权利要求1所述的射流后混合磨料的喷射装置，其特征在于，所述喷射装置包括高压水发生器、磨料供给罐和过滤机构，所述高压水发生器与所述流体输入接头连接，所述磨料供给罐和所述过滤机构均与所述磨料嘴连接。

说明书

一种射流后混合磨料的喷射装置

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道掘进装备的技术领域，尤其涉及一种射流后混合磨料的喷射装置。

背景技术

[0002] 目前，TBM(Tunnel Boring Machine，隧道掘进机)是硬岩隧道掘进的主要装备，具有施工安全、高效、环保的特点。为了提高掘进效率，TBM的刀盘上通常增设有喷嘴，喷嘴向外喷射高压水射流，高压水射流辅助破岩。在一些情况下，可以向高压水射流中添加磨料，磨料硬度较高，利用磨料进行破岩，有助于进一步提高破岩效率。但是，现有技术存在隧道掘进机对硬岩的掘进效率较低的技术问题。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种射流后混合磨料的喷射装置，以提高隧道掘进机对硬岩的掘进效率。

[0004] 本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

[0005] 本发明提供一种射流后混合磨料的喷射装置，包括：喷头体，其设置有喷射出口；磨料嘴，其安装于所述喷头体，所述喷头体中设有环绕所述磨料嘴的环腔，所述喷射出口与所述环腔相连通；安装于所述喷头体的流体输入接头，所述流体输入接头与所述环腔相连通；所述磨料嘴设置有磨料孔道，所述磨料孔道与所述环腔相连通。

[0006] 在优选的实施方式中，所述磨料孔道与所述喷射出口共轴设置，所述环腔为与所述磨料孔道共轴的圆环形。

[0007] 在优选的实施方式中，所述流体输入接头设置于所述环腔的侧面，所述流体输入接头的流体输入方向与所述环腔的轴向相垂直。

[0008] 在优选的实施方式中，所述磨料嘴的出料端的外侧壁设置有射流槽。

[0009] 在优选的实施方式中，所述磨料嘴具有沿磨料的流向依次分布的第一本部和出料端部，所述出料端部的外径小于所述第一本部的外径，所述射流槽自所述第一本部延伸至所述出料端部。

[0010] 在优选的实施方式中，所述磨料嘴具有第二本部和定位挡环，所述定位挡环包括环形体和多个连接于所述环形体的侧壁的凸起部，所述环形体连接于所述第二本部的出料端，多个所述凸起部绕所述环形体圆周间隔分布，相邻两个所述凸起部之间设有流体槽。

[0011] 在优选的实施方式中，所述环腔包括沿磨料的流向依次分布第一圆柱腔部、第一圆锥腔部和第二圆柱腔部，所述第二圆柱腔部的内径小于所述第一圆柱腔部的内径；所述凸起部外壁贴合于所述第一圆柱腔部的内壁和所述圆锥腔部的内壁。

[0012] 在优选的实施方式中，所述磨料嘴具有连接于所述第二本部的入料端的磨料嘴压头，所述磨料嘴压头安装于所述喷头体。

[0013] 在优选的实施方式中，所述喷射装置包括射流导管，所述射流导管安装于所述喷射出口，所述射流导管包括第二圆锥腔部和第三圆柱腔部，所述第二圆锥腔部与所述第三圆柱腔部沿磨料的流向依次分布，所述第二圆锥腔部、所述第三圆柱腔部与所述磨料孔道共轴设置。

[0014] 在优选的实施方式中，所述喷射装置包括高压水发生器、磨料供给罐和过滤机构，所述高压水发生器与所述流体输入接头连接，所述磨料供给罐和所述过滤机构均与所述磨料嘴连接。

[0015] 本发明的特点及优点是：

[0016] 高压水通过流体输入接头进入到环腔中，并经磨料嘴的出料端与环腔的内壁之间的空隙流向喷射出口，形成高速射流，磨料嘴的出料端因文丘里作用产生低压或负压，该低压或负压产生吸力，驱使磨料嘴外的磨料进入磨料孔道，并流向磨料嘴的出料端，磨料经磨料孔道流出后与高压水的高速射流混合，高速射流包裹着磨料一起流向喷射出口，高速射流与磨料在流动过程中进行进一步的混合、加速后，形成磨料射流，喷射到加工件或岩石面上，进行切割和破岩。高速射流包围磨料嘴，磨料从高速射流中心加入，被高速射流包裹着加速，改善了加速效果。通过该喷射装置，提高了射流的冲击速度和破岩效率，增大了破岩量，提高了隧道掘进机对硬岩的掘进效率。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0018] 图1为本发明提供的一种射流后混合磨料的喷射装置的一种实施方式的结构示意图；

[0019] 图2‑图4为图1所示的喷射装置中的磨料嘴的示意图；

[0020] 图5为本发明提供的一种射流后混合磨料的喷射装置的另一种实施方式的结构示意图；

[0021] 图6为图5所示的喷射装置的工作示意图；

[0022] 图7‑图12为图5所示的喷射装置中的磨料嘴的示意图；

[0023] 图13为本发明提供的喷射装置中的射流导管的结构示意图；

[0024] 图14为本发明提供的喷射装置中的喷头体的结构示意图。

[0025] 附图标号说明：

[0026] 10、喷头体；11、喷射出口；

[0027] 20、环腔；21、第一圆柱腔部；22、第二圆柱腔部；23、第一圆锥腔部；

[0028] 30、磨料嘴；301、磨料孔道；302、射流槽；303、流体槽；

[0029] 31、第一本部；32、出料端部；

[0030] 33、第二本部；34、定位挡环；341、环形体；342、凸起部；35、磨料嘴压头；

[0031] 40、流体输入接头；

[0032] 50、射流导管；51、第二圆锥腔部；52、第三圆柱腔部；53、导管压紧螺挡；

[0033] 61、高压水发生器；611、高压水管路；62、磨料供给罐；621、输砂管路；63、压力表；64、过滤机构；

[0034] 70、密封圈。

具体实施方式

[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0036] 本发明提供了一种射流后混合磨料的喷射装置，如图1、图5和图6所示，该喷射装置包括：喷头体10、磨料嘴30和安装于喷头体10的流体输入接头40，喷头体10设置有喷射出口11；磨料嘴30安装于喷头体10，喷头体10中设有环绕磨料嘴30的环腔20，喷射出口11与环腔20相连通；流体输入接头40与环腔20相连通；磨料嘴30设置有磨料孔道301，磨料孔道301与环腔20相连通。

[0037] 高压水通过流体输入接头40进入到环腔20中，并经磨料嘴30的出料端与环腔20的内壁之间的空隙流向喷射出口11，形成高速射流，磨料嘴30的出料端因文丘里作用产生低压或负压，该低压或负压产生吸力，驱使磨料嘴30外的磨料进入磨料孔道301，并流向磨料嘴30的出料端，磨料经磨料孔道301流出后与高压水的高速射流混合，高速射流包裹着磨料一起流向喷射出口11，高速射流与磨料在流动过程中进行进一步的混合、加速后，形成磨料射流，喷射到加工件或岩石面上，进行切割和破岩。高速射流包围磨料嘴30，磨料从高速射流中心加入，被高速射流包裹着加速，改善了加速效果。

[0038] 通过该喷射装置，提高了射流的冲击速度和破岩效率，增大了破岩量，提高了隧道掘进机对硬岩的掘进效率；便于应用于隧道掘进机刀盘切削岩石等高冲击、高磨损、高振动的工况，提高了耐用度；并且，该喷射装置对磨料洁净度、单一性要求比较低，方便就地取材；磨料在该喷射装置中混合加速过程中，对磨料嘴30和喷射出口11的磨损较小，延长了各部件的使用寿命；有利于磨料嘴30等关键部件采用工艺性差的高耐磨材料制作。

[0039] 如图1和图5所示，该喷射装置包括高压水发生器61和磨料供给罐62，高压水发生器61与流体输入接头40连接，磨料供给罐62与磨料嘴30连接。高压水发生器61通过高压水管路611与流体输入接头40连接，该高压水管路611上连接有压力表63。磨料供给罐62可以为干磨料罐或混合液磨料供给罐62；磨料供给罐62通过输砂管路621与磨料嘴30的磨料孔道301连接。将高压水发生器61处的压力记为P0，环腔20的上部的压力也接近于P0；将供料供给罐处的压力记为P1；磨料嘴30的出料端(即图1和图5中的下端)的低压或负压记为P3，P3因文丘里作用而较小。该喷射装置位于大气中时，浸入环境压力等于大气压；该喷射装置位于泥浆中时，浸入环境压力等于泥浆压力。P3小于P0且P3小于P1，且P3小于浸入环境压力。在P3+P1联合推动下，空气或液体携带磨料，通过磨料嘴30送入到高速射流水中间。

[0040] 如图1和图5所示，磨料孔道301与喷射出口11共轴设置，环腔20为与磨料孔道301共轴的圆环形。磨料与高压水的高速射流同向射出，高速射流包围磨料嘴30，磨料从高速射流中心加入，被高速射流水包裹着向喷射出口11流动，有利于磨料进行加速；磨料混合加速过程中，减少了对喷射出口11的磨损，延长了该喷射装置的使用寿命。

[0041] 在一实施方式中，流体输入接头40设置于环腔20的侧面，高压水经流体输入接头40进入到环腔20后发生转向，高压水形成高压水的环形高压水射流。优选地，流体输入接头
40的流体输入方向与环腔20的轴向相垂直。高压水从侧边接入到环腔20内，存在90°转向；
但因为发生转向的区域的液流的速度较低，压损增长幅度较小；在磨料嘴30的底部区域，环腔20的截面面积缩小，压力能转化为速度能，高压水形成环形的高速射流，由于高速射流不集中，沿壁压力损失增多，增加了高压水的高速射流能耗，但通过使磨料从中心加入时，减少了磨料加速、混合的能耗，有利于减小总的能耗。

[0042] 在本发明的一实施方式中，如图14所示，环腔20包括沿磨料的流向依次分布第一圆柱腔部21、第一圆锥腔部23和第二圆柱腔部22，第二圆柱腔部22的内径小于第一圆柱腔部21的内径，如图1、图5和图14所示，高速射流依次流经第一圆柱腔部21、第一圆锥腔部23和第二圆柱腔部22，由于通流面积逐渐缩小，促使高速射流逐渐加速。

[0043] 如图1和图2所示，磨料嘴30的出料端的外侧壁设置有射流槽302，高速射流流经射流槽302，促使高速射流加速。射流槽302可以沿磨料孔道301的轴向延伸。如图3和图4所示，磨料嘴30的外壁可以设置多个周向间隔分布的射流槽302。通过改变射流槽302的大小和数量，可以控制总射流孔面积，进而控制该喷射装置的通流能力。

[0044] 在一实施方式中，磨料嘴30具有沿磨料的流向依次分布的第一本部31和出料端部32，出料端部32的外径小于第一本部31的外径φ5，射流槽302自第一本部31延伸至出料端部32。第一圆柱腔部21的内径φ6大于第一本部31的外径φ5，磨料孔道301内径小于出料端部32的外径。优选地，如图3所示，射流槽302沿轴向全覆盖出料端部32。

[0045] 射流槽302的槽底外径记为φ2，第二圆柱腔部22的内径记为φ3，φ2＜φ3，可调整φ3‑φ2大小，以调整通流面积，控制射流槽302大小，对高速射流的流速和能耗进行优化。在一实施方式中，出料端部32伸入第二圆柱腔部22；进一步地，出料端部32的外径等于第二圆柱腔部22的内径。图1‑图4所示的喷射装置，将磨料中心输入、射流形成、耐磨嘴的固定与定位等功能通过一体化的磨料嘴30实现，简化了结构，又提高耐磨嘴的约束固定强度和定位准度。

[0046] 如图1和图2所示，磨料嘴30与喷头选择用螺纹连接。磨料嘴30前段台阶与喷头体10的上端面压紧，提供预紧力。磨料嘴30前段台阶设有密封圈70和密封槽，密封圈70和密封槽与喷头体10的上端面配合，避免高压水外泄。磨料嘴30中部台阶与喷头体10螺纹连接，起到预紧力与定位的作用。出料端部32与喷头体10的孔第二圆柱腔部22组成配合副，固定与定位磨料嘴30。

[0047] 作为另一种实施方式，磨料嘴30具有第二本部33和定位挡环34，如图5‑图7和图9所示，定位挡环34包括环形体341和多个连接于环形体341的侧壁的凸起部342，环形体341连接于第二本部33的出料端，如图10‑图12所示，多个凸起部342绕环形体341圆周间隔分布，相邻两个凸起部342之间设有流体槽303。高压水流经流体槽303，流体槽303具有较大的通流面积，高压水的流速较低，有利于减少压力损失和内部能量消耗。进一步地，凸起部342的下部的外侧设为倒角，以进一步减少高压水流经定位挡环34的压力损失。第二环形腔部的内径φ3小于定位挡环34的内孔的内径φ8。

[0048] 磨料嘴30的外斜面的斜角等于定位挡环34的内斜面的斜角，记为角A；第一圆锥腔部23的斜面角度等于定位挡环34的凸起部342的外斜面的斜角，记为角B。通过定位挡环34，有利于保证磨料嘴30与喷头体10的同轴定位，如图5‑图9所示，装配时，定位挡环34可直接置于喷头体10的环腔20内部，由于斜面配合的存在，定位挡环34与环腔20实现自动对中同轴，然后将第二本部33装入环腔20，由于斜面配合的存在，第二本部33和定位挡环34自动实现对中同轴，然后由磨料嘴压头35压紧，进而保证各部件的同轴度装配。优选地，角A＜角B。

[0049] 如图5和图6所示，凸起部342外壁贴合于第一圆柱腔部21的内壁和圆锥腔部的内壁，凸起部342外壁的顶部的外径等于第一圆柱腔部21的内径。在一实施方式中，出料端部32伸入第二圆柱腔部22；进一步地，出料端部32的外径小于第二圆柱腔部22的内径，出料端部32和第二圆柱腔部22的内壁之间形成环形间隙。

[0050] 如图7‑图9所示，磨料嘴30具有连接于第二本部33的入料端的磨料嘴压头35，磨料嘴压头35安装于喷头体10。第一圆柱腔部21的内径φ6大于第二本部33的外径φ5。喷头体10上端设置内螺纹，用于安装磨料嘴压头35；喷头体10的侧边设置内螺纹，用于安装流体输入接头40。在喷头体10中依次装配定位挡环34和磨料嘴30，然后由磨料嘴压头35压紧。在结合面位置设有密封槽以便安装密封圈70，以保证该喷射装置自身的密封效果。

[0051] 优选地，磨料嘴压头35与喷头体10选择用螺纹连接。通过磨料嘴压头35的外圆与第一圆柱腔部21配合且同轴。磨料嘴压头35的外圆柱面与第一圆柱腔部21的内壁之间设有密封圈70和密封槽，避免高压水外泄。磨料嘴压头35设有内孔φ5，内孔φ5的底部压住第二本部33的上端面；磨料嘴压头35的内孔φ5与第二本部33配合且同轴，通过密封圈70与密封槽，避免高压水外泄。磨料嘴压头35设有第一纵向孔道，第二本部33设有与第一纵向孔道相连通的第二纵向孔道，第一纵向孔道与第二纵向孔道构造成磨料孔道301，优选地，第一纵向孔道的内径大于第二纵向孔道。

[0052] 定位挡环34的外斜面角度等于第一圆锥腔部23的斜面角度，定位挡环34装入第一圆柱腔部21，磨料嘴30的外斜面压住定位挡环34的内斜面且同轴，定位挡环34的外斜面压住第一圆锥腔部23的内斜面且同轴，以定位和压紧磨料嘴30且将其上的预紧力传递到喷头体10上，保证磨料嘴30、喷头体10的形位关系不受高压水及振动的影响。

[0053] 在一实施方式中，该喷射装置包括射流导管50，如图1、图5和图6所示，射流导管50安装于喷射出口11，如图13所示，射流导管50包括第二圆锥腔部51和第三圆柱腔部52，第二圆锥腔部51与第三圆柱腔部52沿磨料的流向依次分布，第二圆锥腔部51、第三圆柱腔部52与磨料孔道301共轴设置。

[0054] 高速射流水包裹着磨料同向射出且进入射流导管50，高速射流与磨料在射流导管50内进行进一步的混合与加速。第二圆锥腔部51的出料端的内径小于其入料端的内径，保证具有渐进聚合射流的功能，优化了磨料与射流的加速与混合效果。第三圆柱腔部52的内径φ1等于第二圆锥腔部51的出料端的内径。第二圆锥腔部51内斜面的斜角记为角D。进一步地，90°＜角D＜180°，以改善射流导管50的聚合作用，以加强高速射流与磨料的混合和加速作用。

[0055] 射流导管50安装正对磨料嘴30的磨料孔道301，喷头体10设有内孔φ9，该内孔具有内台阶，该内台阶挡住射流导管50，导管压紧螺挡53旋入喷头体10且压紧射流导管50，射流导管50由导管压紧螺挡53锁紧。

[0056] 该喷射装置，磨料混合加速过程中，射流导管50的磨损较少，延长了射流导管50的使用寿命。射流导管50在正常磨损范围内，第二圆锥腔部51汇聚引导射流；第三圆柱腔部52的前端引导并加速磨料，使其混合到高速射流水外侧；第三圆柱腔部52的后段可以回避充分混合的磨料射流伤害，通过优化射流导管50的形状，适应磨料射流核心段的作用段，改善了混合射流的使用状态。

[0057] 喷头体10的第一圆柱腔部21、第二圆柱腔部22及螺纹孔，磨料嘴30的磨料孔道301、出料端部32、第一本体、射流槽302的槽底面及螺纹柱，射流导管50的第三圆柱腔部52、第二圆锥腔部51，与磨料嘴压头35均同心同轴。磨料嘴30可以采用易机加工或者3D打印的材料。磨料嘴30可以采用碳化钨、人造金刚石或者碳化硅，射流导管50可以采用碳化钨或者人工金刚石等硬脆高耐磨材料。

[0058] 如图1和图5所示，该喷射装置包括高压水发生器61、磨料供给罐62和过滤机构64，高压水发生器61与流体输入接头40连接，磨料供给罐62和过滤机构64均与磨料嘴30连接。喷头体10外部的颗粒可以在磨料嘴30内的低压或负压的作用下被吸入，过滤机构64对被吸入的壳体起到过滤作用，使得该喷射装置可以对磨料进行重复利用，通过过滤机构64，可以将切削破岩过程中产生的废弃岩渣作为磨料来源，以替代磨料供给罐62来供应磨料。具体地，过滤机构64包括过滤盖板。

[0059] 以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动而不脱离本发明的精神和范围。