Ротор реактивной турбины с плавающей головкой улучшенной струйности

Номер патента: 11623

Опубликовано: 28.04.2009

Авторы: Коулл Джек, Марвин Марк

Есть еще 7 страниц.

Смотреть все страницы или скачать PDF файл.

Формула / Реферат

1. Вращающееся струйное устройство, содержащее:

(a) кожух, ограничивающий проход для текучей среды, находящейся под давлением;

(b) ротор, по меньшей мере часть которого расположена коаксиально внутри кожуха, который имеет проксимальный и дистальный концы и выполнен с возможностью вращения относительно кожуха и перемещения в продольном направлении относительно кожуха, при этом ротор содержит:

(i) отверстие для впуска текучей среды, расположенное на проксимальном конце ротора и выполненное с возможностью приема находящейся под давлением текучей среды из указанного прохода для текучей среды, так что направление находящейся под давлением текучей среды при поступлении ее в ротор является коаксиальным с ротором; и

(ii) по меньшей мере одно сопло, расположенное смежно с дистальным концом ротора, соединенное с обеспечением проточного сообщения с отверстием для впуска текучей среды и предназначенное для выпуска струи находящейся под давлением текучей среды с обеспечением вращения ротора относительно кожуха;

(c) первый объем компенсации давления, ограниченный кожухом и ротором и расположенный смежно с проксимальным концом ротора; и

(d) воздушный клапан, выполненный с возможностью избирательного создания проточного сообщения первого объема компенсации давления с окружающим пространством в зависимости от осевого положения ротора относительно кожуха.

2. Вращающееся струйное устройство по п.1, дополнительно содержащее второй объем компенсации давления, ограниченный кожухом и ротором и расположенный смежно с дистальным концом ротора.

3. Вращающееся струйное устройство по п.2, в котором ротор с созданием уплотнения входит в контакт с кожухом в:

(a) первом месте, расположенном проксимально первому объему компенсации давления;

(b) втором месте, расположенном дистально первому объему компенсации давления и проксимально второму объему компенсации давления; и

(c) третьем месте, расположенном дистально второму объему давления.

4. Вращающееся струйное устройство по п.3, в котором площадь уплотнения, связанная с третьим местом, меньше, чем разница между площадью уплотнения, связанной с первым местом, и площадью уплотнения, связанной со вторым местом.

5. Вращающееся струйное устройство по п.3, в котором диаметр, связанный с каждым из мест, первым, вторым и третьим, выбран с обеспечением вхождения ротора в режим компенсации давления, когда аксиальное положение ротора относительно кожуха таково, что первый объем компенсации давления проточно сообщается с воздушным клапаном.

6. Вращающееся струйное устройство по п.1, в котором указанное по меньшей мере одно сопло имеет по меньшей мере одно из следующих расположений струй:

(a) одна струя по центру и множество смещенных струй и

(b) по меньшей мере одна струя по центру и по меньшей мере одна смещенная струя.

7. Вращающееся струйное устройство по п.1, в котором воздушный клапан имеет кольцевую канавку и по меньшей мере одно отверстие в кожухе, устанавливающее проточное сообщение кольцевой канавки с объемом окружающей среды.

8. Вращающееся струйное устройство по п.1, в котором ротор дополнительно содержит регулятор центробежного тормоза, выполненный с возможностью приложения силы торможения к ротору при достижении им заданной скорости вращения и расположенный между дистальным и проксимальным концами ротора.

9. Вращающееся струйное устройство по п.8, в котором дистальный конец указанного кожуха имеет сужение, при этом устройство дополнительно содержит конический патрон, выполненный из износостойкого материала, взаимодействующий с дистальным коническим концом кожуха и выполненный с возможностью фрикционного взаимодействия с регулятором центробежного тормоза.

10. Вращающееся струйное устройство по п.1, в котором суммарная площадь каждого прохода в роторе, соединяющего впускное отверстие с указанным по меньшей мере одним соплом, сравнительно велика по сравнению с суммарной площадью каждого по меньшей мере одного сопла.

11. Вращающееся струйное устройство по п.10, в котором суммарная площадь каждого прохода в роторе, соединяющего впускное отверстие с указанным по меньшей мере одним соплом, по меньшей мере примерно в 10 раз больше суммарной площади каждого по меньшей мере одного сопла.

12. Способ уравновешивания ротора давлением во вращающемся струйном инструменте, включающий:

(a) введение находящейся под давлением текучей среды в ротор через впускное отверстие, расположенное в проксимальнойчасти ротора так, что направление указанной текучей среды при ее поступлении в ротор является коаксиальным с ротором;

(b) выпуск основной части находящейся под давлением текучей среды, введенной в ротор, из дистального конца ротора с обеспечением сообщения ротору вращающей силы и приложения к ротору аксиальной силы в направлении, в целом противоположном направлению поступления в ротор указанной текучей среды; и

(c) направление незначительной части находящейся под давлением текучей среды по другой траектории с обеспечением приложения тем самым к ротору аксиальной силы в направлении, в целом соответствующем направлению находящейся под давлением текучей среды при ее поступлении в ротор с уравновешиванием тем самым ротора давлением.

13. Способ по п.12, дополнительно включающий этап установки проточного сообщения указанной незначительной части находящейся под давлением текучей среды, которая сообщает аксиальную силу ротору, с окружающим объемом, когда величина аксиальной силы, сообщаемой ротору этой незначительной частью текучей среды, превышает величину аксиальной силы, сообщаемой ротору основной частью находящейся под давлением текучей среды, выпущенной из дистального конца ротора.

14. Способ по п.12, дополнительно включающий этап переноса находящейся под давлением текучей среды от впускного отверстия по меньшей мере к одному соплу с использованием по меньшей мере одного прохода, так что суммарная площадь каждого такого прохода является сравнительно большой по сравнению с суммарной площадью каждого по меньшей мере одного сопла.

15. Способ по п.12, дополнительно включающий этап регулирования максимальной скорости вращения ротора с использованием центробежного тормоза, входящего в состав ротора.

16. Способ уравновешивания ротора давлением во вращающемся струйном инструменте, включающий:

(a) создание объема компенсации давления, ограниченного ротором и невращающейся частью вращающегося струйного инструмента;

(b) введение находящейся под давлением текучей среды в ротор через впускное отверстие, расположенное в проксимальной части ротора так, что направление перемещения находящейся под давлением текучей среды, в котором она поступает в ротор, является коаксиальным с ротором;

(c) выпуск находящейся под давлением текучей среды из дистального конца ротора с обеспечением сообщения ротору вращающей силы и перемещения ротора в продольном направлении с уменьшением тем самым размера объема компенсации давления;

(d) направление части находящейся под давлением текучей среды в объем компенсации давления с образованием тем самым гидродинамического подшипника между ротором и невращающейся частью вращающегося струйного инструмента; и

(e) увеличение количества находящейся под давлением текучей среды в объеме компенсации давления с обеспечением перемещения ротора в продольном направлении с увеличением тем самым размера объема компенсации давления до тех пор, пока не откроется воздушный клапан, создающий проточное сообщение между объемом компенсации давления и объемом окружающей среды, уравновешивая, тем самым, ротор давлением.

17. Вращающееся струйное устройство, содержащее:

(a) кожух, ограничивающий проход текучей среды, находящейся под давлением;

(b) ротор, по меньшей мере часть которого расположена коаксиально внутри кожуха и который имеет проксимальный и дистальный конец и выполнен с возможностью вращения относительно кожуха и перемещения в продольном направлении относительно кожуха, причем дистальный конец содержит по меньшей мере одно сопло, проточно сообщающееся с проходом для текучей среды ш предназначенное для выпуска струи находящейся под давлением текучей среды с обеспечением вращения ротора относительно указанного кожуха;

(c) первый объем компенсации давления, ограниченный кожухом и ротором и расположенный смежно с проксимальным концом ротора;

(d) второй объем компенсации давления, ограниченный кожухом и ротором и расположенный смежно с дистальным концом ротора; и

(e) воздушный клапан, выполненный с возможностью избирательного создания проточного сообщения первого объема компенсации давления с объемом окружающей среды в зависимости от аксиального положения ротора относительно кожуха.

18. Вращающееся струйное устройство по п.17, в котором ротор с созданием уплотнения входит в контакт с кожухом в:

(a) первом месте, расположенном проксимально первому объему компенсации давления;

(b) втором месте, расположенном дистально первому объему компенсации давления и проксимально второму объему компенсации давления; и

(c) третьем месте, расположенном дистально второму объему компенсации давления, причем диаметр, связанный с каждым из мест, первым, вторым и третьим, выбран с обеспечением вхождения ротора в режим компенсации давления, когда аксиальное положение ротора относительно кожуха таково, что первый объем компенсации давления проточно сообщается с воздушным клапаном.

19. Вращающееся струйное устройство по п.17, в котором ротор дополнительно содержит регулятор центробежного тормоза, выполненный с возможностью сообщения ротору силы торможения при достижении им заданной скорости вращения и расположенный между дистальным и проксимальным концами ротора.

20. Вращающееся струйное устройство по п.17, в котором ротор дополнительно содержит отверстие для впуска текучей среды, расположенное на проксимальном конце ротора и выполненное с возможностью приема находящейся под давлением текучей среды из прохода для текучей среды с обеспечением поступления указанной текучей среды в ротор в направлении, параллельном продольной оси ротора.

21. Вращающееся струйное устройство по п.17, в котором воздушный клапан имеет кольцевую канавку и по меньшей мере одно отверстие в кожухе, образующее проточное сообщение кольцевой канавки с объемом окружающей среды.

22. Вращающееся струйное устройство по п.17, в котором указанное по меньшей мере одно сопло имеет по меньшей мере одно из следующих расположений струй:

(a) одна струя по центру и множество смещенных струй и

(b) по меньшей мере одна струя по центру и по меньшей мере одна смещенная струя.

23. Вращающееся струйное устройство, содержащее:

(a) кожух, ограничивающий проход для текучей среды, находящейся под давлением;

(b) ротор, по меньшей мере часть которого расположена коаксиально внутри кожуха и который имеет проксимальный и дистальный концы и выполнен с возможностью вращения относительно кожуха, причем дистальный конец содержит по меньшей мере одно сопло, проточно сообщающееся с проходом для текучей среды и выполненное с возможностью выпуска струи находящейся под давлением текучей среды с обеспечением тем самым вращения ротора относительно указанного кожуха; и

(c) центробежный тормоз, расположенный между проксимальным и дистальным концами ротора и выполненный с возможностью фрикционного взаимодействия с ротором при заданной скорости вращения, ограничивая тем самым максимальную скорость вращения ротора.

24. Вращающееся струйное устройство по п.23, в котором ротор дополнительно имеет отверстие для впуска текучей среды, расположенное на проксимальном конце ротора и выполненное с возможностью приема находящейся под давлением текучей среды из прохода для текучей среды с обеспечением поступления указанной текучей среды в ротор в продольном направлении.

25. Вращающееся струйное устройство по п.23, в котором ротор выполнен с возможностью перемещения в продольном направлении относительно кожуха и которое дополнительно содержит:

(a) первый объем компенсации давления, ограниченный кожухом и ротором и расположенный смежно с проксимальным концом ротора; и

(b) воздушный клапан, выполненный с возможностью избирательного создания проточного сообщения первого объема компенсации давления с объемом окружающей среды в зависимости от аксиального положения ротора относительно кожуха.

26. Вращающееся струйное устройство по п.25, в котором воздушный клапан имеет кольцевую канавку и по меньшей мере одно отверстие в кожухе, образующее проточное сообщение кольцевой канавки с объемом окружающей среды.

27. Вращающееся струйное устройство по п.25, в котором ротор с созданием уплотнения входит в контакт с кожухом в первом месте, расположенном проксимально первому объему компенсации давления, во втором месте, расположенном дистально первому объему компенсации давления и проксимально дистальному концу ротора, и в третьем месте на дистальном конце ротора, причем диаметр, связанный с каждым из мест, первым, вторым и третьим, выбран с обеспечением вхождения ротора в режим компенсации давления, когда аксиальное положение ротора относительно кожуха таково, что первый объем компенсации давления проточно сообщается с воздушным клапаном.

28. Вращающееся струйное устройство по п.23, в котором дистальный конец указанного кожуха имеет сужение, а устройство дополнительно содержит конический патрон, выполненный из износостойкого материала, взаимодействующий с дистальным коническим концом кожуха и выполненный с возможностью фрикционного взаимодействия с центробежным тормозом.

29. Вращающееся струйное устройство по п.23, в котором указанное по меньшей мере одно сопло имеет по меньшей мере одно из следующих расположений струй:

(a) одна струя по центру и множество смещенных струй и

(b) по меньшей мере одна струя по центру и по меньшей мере одна смещенная струя.

Рисунок 1

 

Текст

Смотреть все

011623 Родственные заявки Данная заявка основана на предшествующей совместно рассматриваемой предварительной заявке 60/640742, поданной 30 декабря 2004 г., по дате подачи которой заявляется приоритет согласно 119(e) раздела 35 Кодекса законов США. Кроме того, отчасти данная заявка является продолжением заявки, основанной на предшествующей совместно рассматриваемой обычной заявке 10/990757, поданной 17 ноября 2004 г., по дате подачи которой заявляется приоритет согласно 120 раздела 35 Кодекса законов США. Предпосылки изобретения Вращающиеся струйные инструменты, как правило, используют для удаления осадка или других отложений из системы труб по добыче нефти и газа. Данные инструменты также могут использоваться для сверления грунта и скальных пород. В подводных применениях, таких как эксплуатация глубоких скважин, рабочий диапазон струи строго ограничен турбулентным рассеиванием. Струи должны быть расположены под большим углом к оси вращения, чтобы минимизировать установочное расстояние между струей и поверхностью грунта. Для гарантии того, что приведенный размах затопленных струй охватывает всю поверхность грунта, находящегося перед инструментом, необходимо наличие множественных струй. Струя, идущая по центру, должна быть расположена так, чтобы ее ось была направлена поперек оси вращения инструмента. Кроме того, имеет значение качество струи, особенно в более твердых поверхностях грунта. Многочисленные вышерасположенные осадительные камеры и конические впускные сопла улучшают качество струи за счет уменьшения турбулентности на входе. Желательно выполнить вращающийся струйный инструмент как можно короче и компактнее, чтобы он мог проходить через крутые радиусные изгибы в трубопроводе, или проходить через боковое выходное окно малого радиуса из скважины. В этих случаях инструмент может быть установлен на гибком шланге. Наконец, существует необходимость создания на инструментах регулятора скорости для предотвращения чрезмерного потока. К сожалению, проектные требования к компактности противоречат другим вышеуказанным конструктивным требованиям. Во вращающихся струйных инструментах для создания вращения может использоваться наружный двигатель, либо ротор может быть самовращающимся. Самовращающаяся система значительно упрощает работу инструмента и уменьшает его размер. В типичной самовращающейся системе струи выпускаются с тангенциальной составляющей движения, которая создает вращающий момент, необходимый для поворота ротора. В большинстве самовращающихся систем для вращения рабочей головки используется скользящее уплотнение и опорный подшипник. Недостаток, связанный с данной конструкцией, состоит в том, что вращающий момент, созданный рабочими струями, должен быть достаточно большим для преодоления статического опорного давления и трения, вызванного уплотнением. Динамическое трение подшипников и уплотнителей, как правило, меньше, чем статическое трение, поэтому роторы могут вращаться при избыточной скорости, которая может вызывать перегрев или повреждение подшипника. Кроме того, большинство самовращающихся систем содержит упорный подшипник. Такие подшипники подвержены высоким нагрузкам и выходят из строя, если скорость вращения слишком высока. Работа гидродинамических опорных подшипников основана на тонком слое жидкости, которая поддерживает вращающийся вал посредством гидродинамических сил. Опорные подшипники не могут выдерживать сильное осевое давление или радиальные нагрузки, но являются эффективными при высокой скорости, когда гидродинамическая подъемная сила имеет наибольшее значение. Осевую нагрузку можно исключить за счет сбалансированной, или плавающей, конструкции ротора. Вал ротора опирается на противоположные уплотнения радиальных зазоров, которые также действуют как гидродинамические опорные подшипники. Если диаметр вала одинаков на обоих концах ротора, то отсутствует осевое давление, вызванное внутренним давлением текучей среды. Этот подход использован Шмидтом (патент США 4440242) и Эллисом (патент США 5685487) для создания самовращающейся струи. В обоих патентах рабочая текучая среда вводится от тангенциальной поверхности роторного вала к центру ротора при помощи пересекающихся проходов. Недостаток такой конструкции состоит в том, что камера для отстаивания текучей среды мала по сравнению с диаметром уплотнения ротора. Кроме того, сопла, которые образуют струи, должны быть просверлены с наружной стороны ротора и не обеспечивают соответствующее качество струи. Наконец, струи выпускаются под сравнительно небольшими выпускными радиусами и небольшим углом к оси инструмента, поэтому величина отклонения в измерителе инструмента сравнительно велика. В патенте США 4440242 предусмотрена отдельная роторная головка, которая проходит скважину за пределами участка сбалансированного осевого давления. Роторная головка может быть выполнена сравнительно большого размера для получения необходимой формы струи, но такой подход исключает требование компактности инструмента. Скорость вращения ротора с радиальным подшипником может быть слишком высока для эффективного струйного гидроэрозионного бурения породы. Струйную характеристику в значительной степени мог бы улучшить механизм регулирования скорости. Для регулирования скорости струи ротора использованы механизмы, включающие механические и магнитные тормоза, а также тормоза, действие которых основано на вязкости. Данные механизмы, как правило, являются составными и имеют сравнительно большую длину. Таким образом, желательно, чтобы в состав ротора входил простой, компактный-1 011623 регулятор скорости. Применение роторов гидроэрозионного бурения существенно для отверстий малых радиусов. Струйный ротор, необходимый для такого применения, должен быть как можно короче, чтобы позволить инструменту преодолеть крутые внутренние углы и изгибы малых радиусов. Таким образом, было бы желательно создать компактный струйный ротор с множественными струями такой направленности,чтобы: (1) образовать достаточный вращающий момент для надежного запуска ротора; (2) обеспечить эффективное бурение; (3) исключить влияние боковых сил на радиальный подшипник, которое может вызвать его износ. Более того, было бы желательно создать компактный струйный ротор, включающий сравнительно широкие внутренние проходы для потока внутри струйного ротора, чтобы минимизировать вышерасположенную турбулентность и потери давления для обеспечения наилучших параметров струи. Кроме того, желательно создать компактный струйный ротор, в состав которого входил бы выполненный как единое целое, компактный тормоз, регулирующий скорость. Наконец, желательно создать компактный струйный ротор, в конструкцию которого входили бы износостойкие материалы, позволяющие надежное производство и надежную работу с достаточной точностью. Сущность изобретения Иллюстративный вращающийся струйный инструмент, содержащий ротор со сбалансированным давлением, описанный здесь подробно, имеет в своем составе объем компенсации давления, который ограничен ротором и кожухом. Ротор выполнен с возможностью вращения относительно кожуха, а также перемещения относительно него в продольном направлении. Ротор содержит по меньшей мере одно сопло в дистальном конце, которое предназначено для выпуска находящейся под давлением текучей среды,тем самым, передавая ротору вращающую силу. Вращающийся струйный инструмент прикреплен на дистальном конце бурильной колонны или гибкой трубы (например, спиральной трубы), выполненный для подачи находящейся под давлением текучей среды от источника указанной среды. По мере введения находящейся под давлением текучей среды в инструмент часть указанной среды выпускается из по меньшей мере одного сопла, приводя, тем самым, к вращению ротора, а также вызывая перемещение ротора в продольном направлении относительно кожуха; при этом данное направление, как правило, противоположно направлению, в котором струя текучей среды выпускается из по меньшей мере одного сопла. Это первоначальное аксиальное перемещение ротора уменьшает размер объема компенсации давления. Кроме того, в объем компенсации давления вводится часть находящейся под давлением текучей среды. Предпочтительно, вращающийся струйный инструмент содержит ряд уплотнений радиальных зазоров, и находящаяся под давлением текучая среда вводится в объем компенсации давления за счет просачивания текучей среды за пределы по меньшей мере одного из этих уплотнений радиальных зазоров. По мере того, как находящаяся под давлением текучая среда заполняет объем компенсации давления, ротору будет передано перемещение в продольном направлении (в направлении, которое теперь противоположно аксиальному перемещению, переданному струей текучей среды, выпущенной по меньшей мере одним соплом), приводя, тем самым, к увеличению размера объема компенсации давления. Вращающийся струйный инструмент содержит воздушный клапан, который избирательно устанавливает сообщение объема компенсации давления с объемом окружающей среды, в зависимости от осевого положения ротора. По мере увеличения объема компенсации давления движение ротора в продольном направлении открывает воздушный клапан, тем самым, устанавливая сообщение объема компенсации давления с объемом окружающей среды. Таким образом, через воздушный клапан будет переноситься дополнительная текучая среда, введенная в объем компенсации давления, и ротору не будет передаваться дополнительное перемещение в продольном направлении. Таким образом, ротор является сбалансированным по давлению, нисходящее давление на ротор,оказанное находящейся под давлением текучей средой в объеме компенсации давления, по существу компенсирует восходящее давление на ротор, оказанное струей находящейся под давлением текучей среды, выпущенной по меньшей мере одним соплом. (Выражение нисходящее и восходящее, которое используется на протяжении данного описания, касается направления, изображенного на прилагаемых чертежах, и не должно рассматриваться как абсолютное направление или каким-либо образом ограничивающее использование данной технологии). Как будет описано далее более подробно, для облегчения достижения вышеуказанного режима сбалансированного давления можно регулировать относительные диаметры уплотнений радиальных зазоров. Находящаяся под давлением текучая среда предпочтительно вводится в ротор через впускное отверстие, расположенное в проксимальном конце ротора, так что по мере поступления в ротор находящейся под давлением текучей среды, она перемещается коаксиально относительно ротора (имея в виду,что ось ротора проходит как через дистальный, так и через проксимальный конец ротора). Таким образом, данный поток может считаться аксиальным потоком. Такая аксиальная конфигурация потока позволяет инструменту иметь сравнительно компактные размеры. Более того, данная конфигурация позволяет включить в состав ротора сравнительно больший объем отстаивания, по сравнению с объемами отстаивания, которые входят в состав инструментов, не имеющих такую аксиальную конфигурацию потока. Сравнительно большие объемы отстаивания улучшают качество струи за счет уменьшения турбулентности на впуске.-2 011623 В по меньшей мере одном иллюстративном варианте выполнения рядом с дистальным концом ротора расположен второй объем компенсации давления, а в данном варианте выполнения инструмент имеет такую конфигурацию, что, когда осевое положение ротора образует сообщение объема компенсации давления с объемом окружающей среды, нисходящее давление на ротор, оказанное находящейся под давлением текучей среды в объеме компенсации давления, по существу компенсирует восходящее давление на ротор, оказанное струей находящейся под давлением текучей среды, выпущенной по меньшей мере одним соплом, и восходящее давление на ротор, оказанное находящейся под давлением жидкости во втором объеме компенсации давления. Другой вариант выполнения вращающегося струйного инструмента, описанный в данном документе, содержит центробежный тормоз, выполненный для ограничения максимальной скорости вращения ротора. Центробежный тормоз расположен между проксимальным и дистальным концами ротора, позволяя добиться компактности вращающегося струйного инструмента. Центробежный тормоз может быть выполнен путем образования в роторе карманов для размещения в них тормозных гирь, которые в ответ на повышение скорости вращения ротора будут за счет трения зацеплять кожух. В одном варианте выполнения дистальная часть кожуха сужается, и конический патрон зацепляет суженную часть кожуха таким образом, что тормозные гири за счет трения зацепляют конический патрон. Предпочтительно,тормозные гири и конический патрон выполнены с использованием сверхтвердых и износостойких материалов. Настоящий раздел Сущность изобретения предусмотрен для введения некоторых понятий в упрощенной форме, которая более подробно описана далее в разделе Подробное описание изобретения. Однако данный раздел не предназначен ни для выделения ключевых или существенных особенностей заявленного предмета обсуждения, ни для содействия в определении объема заявленного предмета обсуждения. Краткое описание чертежей Различные аспекты и вытекающие преимущества одного или нескольких иллюстративных вариантов выполнения и их модификаций будет легче оценить по мере их лучшего понимания посредством обращения к приведенному ниже описанию со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 изображает продольный разрез вращающегося струйного инструмента, содержащего камеру компенсации давления, оборудованную воздушными клапанами, позволяющую создать режим компенсации давления в роторе; фиг. 2 изображает эпюру свободного тела ротора, схематически изображающую силы, действующие на ротор в вертикальном направлении (причем понятие вертикальное, которое использовано здесь и на всем протяжении данного описания, имеет отношение к направлению, изображенному на данном чертеже, и не должно истолковываться как абсолютное направление или как ограничивающее направление в объеме сопутствующих понятий); фиг. 3 изображает дистальный конец вращающегося струйного инструмента первого предпочтительного варианта выполнения, содержащего ротор со сбалансированным давлением и центробежный тормоз, выполненный как единое целое; фиг. 4 А изображает разрез по линии 4 А-4 А на фиг. 3 вращающегося струйного инструмента, представленного на фиг. 3, показывающий подробности, имеющие отношение к проходу находящейся под давлением текучей среды через указанный инструмент; фиг. 4 В изображает разрез по линии 4 В-4 В на фиг. 3 вращающегося струйного инструмента, представленного на фиг. 3, показывающий подробности, имеющие отношение к центробежному тормозу,выполненному как единое целое; фиг. 5 изображает дистальный конец вращающегося струйного инструмента второго предпочтительного варианта выполнения, содержащего ротор со сбалансированным давлением и центробежный тормоз, выполненный как единое целое; фиг. 6 А изображает разрез по линии 6 А-6 А на фиг. 5 вращающегося струйного инструмента, представленного на фиг. 5, показывающий подробности, имеющие отношение к проходу находящейся под давлением жидкости через указанный инструмент, коническому корпусу и коническому патрону; фиг. 6 В изображает разрез по линии 6 В-6 В на фиг. 5 вращающегося струйного инструмента, представленного на фиг. 5, показывающий подробности, имеющие отношение к выполненному как единое целое центробежному тормозу, коническому корпусу и коническому патрону. Подробное описание изобретения Чертежи и раскрытые варианты выполнения не являются ограничивающими. Иллюстративные варианты выполнения изображены на снабженных ссылками фигурах чертежей. Подразумевается, что варианты выполнения и чертежи, описанные в данном документе, должны считаться иллюстративными, а не ограничивающими. Как видно из фиг. 1, представлен вращающийся струйный инструмент (или узел), содержащий ротор со сбалансированным давлением. Инструмент содержит две основные части, ротор 1 и кожух 2. Ротор 1 расположен в кожухе 2, в котором имеется камера 3 давления (способная выдерживать установленные рабочие давления системы). Конструкция ротора 1 предусматривает его вращение независимо от-3 011623 кожуха 2. Кроме того, как более подробно обсуждено далее, ротор 1 может вращаться в продольном направлении относительно кожуха 2. Жидкость, находящаяся под давлением, поступает в проксимальный конец кожуха 2 через впускное отверстие 4 и перемещается через один или несколько проходов 5, образованных в роторе 1. Данная аксиальная конфигурация позволяет использовать в роторе короткие проходы со сравнительно большим диаметром (т.е. проходы 5), которые представляют собой незначительное препятствие потоку. Большое количество вращающихся струйных инструментов известного уровня техники используют небольшие проходы для текучей среды, приводящие к значительным ограничениям потока, что по существу уменьшает гидравлический кпд указанных инструментов. Текучая среда ускоряется, проходя через одно или несколько сопел 6, и выбрасывается из дистального конца ротора в виде струи текучей среды 7. На фиг. 1 отчетливо показано суживающееся сопло,которое можно выгодно использовать для несжимаемых текучих сред, таких как вода. Однако суживающееся - расширяющееся сопло можно также с успехом использовать для сжимаемых текучих сред, таких как углекислый газ, находящийся в сверхкритическом состоянии, азот, или смесь газа и воды. Сопла 6 расположены и ориентированы таким образом, что реактивная сила струй, выпущенных соплами, создает вращающий момент вокруг центра вращения ротора, передавая, тем самым, вращающую силу ротору. Как правило, вращающийся струйный инструмент расположен в дистальном конце бурильной колонны или узла спиральной трубы. Имеет значение то, что конструкция вращающегося струйного инструмента с аксиальным потоком дает возможность добиться компактности указанного инструмента, а такой инструмент особенно хорошо соответствует бурению отверстий малого радиуса. Однако следует признать,что указанное использование приведено в качестве примера, а не как ограничивающее объем данного изобретения. Во вращающемся струйном инструменте существует три поверхности уплотнения радиальных зазоров, включая уплотнение 8 входа, уплотнение 9 выхода и уплотнение 10 кожуха. Уплотнение выполнено с использованием небольшого зазора между валом ротора и каналом кожуха, так что объем текучей среды, проходящей через зазор, невелик по сравнению с объемом текучей среды, выпускаемой соплами. По меньшей мере в одном иллюстративном варианте выполнения для каждой уплотняемой поверхности используют сверхтвердые материалы, например цементированный карбид. Такие материалы, как правило, имеют сравнительно низкие коэффициенты трения и обеспечивают лучшую износостойкость. В качестве альтернативы могут использоваться другие разновидности сверхтвердых материалов, такие как поликристаллический алмаз, карбид, полученный способом пламенного напыления, карбид кремния,кубический нитрид бора и аморфное алмазоподобное покрытие (ADLC). Предпочтительно, чтобы в каждой паре расположенных друг против друга уплотняемых поверхностей каждая из поверхностей была выполнена из разного сверхтвердого материала; специалистам в данной области техники будет очевидно,что это обеспечивает пониженное трение. Однако следует признать, что использование таких сверхтвердых материалов приводится в качестве примера, а не как ограничивающее объем изобретения, как описано в данном документе. Следует признать, что, поскольку вращающий момент, созданный струями текучей среды, сравнительно небольшой, вращающиеся струйные инструменты, как правило, требуют определенной конструкции, чтобы минимизировать вращающий момент, который необходим для вращения ротора. В контексте вращающихся струйных инструментов, описанных в данном документе, текучая среда, введенная в уплотнители радиальных зазоров, действует как гидродинамический подшипник, существенно уменьшая силы трения, действующие на ротор, находящийся во вращающемся струйном инструменте. Как описано ниже более подробно, текучая среда, просачивающаяся через вышеописанные уплотнения радиальных зазоров, будет также протекать в проксимальный объем 11 а и дистальный объем 11b. Проксимальный объем 11 а имеет конфигурацию, которая в частности позволяет ротору 1 во время работы вращающегося струйного инструмента достигать режима сбалансированного давления, как описано далее более подробно. Расчетная площадь уплотнения 8 входа, умноженная на давление системы, образует силу, действующую на ротор в нисходящем направлении. Кольцевая площадь между уплотнением 10 корпуса и уплотнением 8 входа образует проксимальный объем 11 а, который работает как камера, компенсирующая давление. Расчетная площадь камеры, компенсирующей давление, умноженная на давление в данной камере, образует силу, действующую на ротор в нисходящем направлении. (Снова выражения нисходящий и восходящий, которые используются здесь и на протяжении всего данного описания,относятся к направлениям, изображенным на чертежах, и не должны рассматриваться как абсолютные направления или как направления, ограничивающие описанные понятия; более того, нужно признать, что выражение нисходящий относится к направлению, соответствующему перемещению от впускного отверстия 4 по направлению к соплу 6, а выражение восходящий относится к направлению, соответствующему перемещению от сопла 6 по направлению к впускному отверстию 4). Кольцевая площадь камеры 3 давления между уплотнением 10 корпуса и уплотнением 9 выхода, умноженная на давление системы, создает восходящую силу, действующую на ротор. Внешнее давление, действующее на расчетную площадь уплотнения 9 выхода, умноженное на эту площадь, образует восходящую силу, действующую на ротор. Существенно, что диаметры уплотнения 8 входа, уплотнения 9 выхода и уплотнения 10-4 011623 корпуса подобраны для уравновешивания восходящих и нисходящих сил давления на ротор. В камере 3 давления находится кольцевая балансировочная канавка 17, имеющая дренажный проход 12; при этом указанная канавка может избирательно сообщаться с камерой компенсации давления таким образом, что,когда ротор находится в самой верхней точке движения, текучая среда, находящаяся в камере компенсации давления (проксимальный объем 11 а), не может просочиться через дренажный проход 12, а по мере того, как ротор перемещается книзу, текучая среда может вытекать из камеры компенсации давления(проксимальный объем 11 а). Во время работы текучая среда проходит через уплотнение 8 входа в камеру компенсации давления (проксимальный объем 11 а), приводя к повышению давления в указанной камере до тех пор, пока ротор прижимается книзу, тем самым увеличивая размер камеры компенсации давления(проксимальный объем 11 а). Данное осевое перемещение ротора в нисходящем направлении будет приводить к тому, что кольцевая балансировочная канавка 17 не будет закрыта или будет открыта, поэтому дренажный проход 12 сообщается с камерой компенсации давления (проксимальным объемом 11 а), что приводит к уменьшению давления в камере компенсации давления. Ротор достигнет положения, в котором силы давления на него уравновешены, и не движется ни вверх, ни вниз, тем самым, достигая режима сбалансированного давления. Одно преимущество вышеописанной конструкции состоит в том, что в процессе сборки вращающегося струйного инструмента существует доступ к осадительной камере 13 сопла со стороны, противоположной выпускному отверстию сопла. Этот доступ позволяет создание сравнительно большой осадительной камеры и удобной геометрической формы впускного отверстия для сопла. Стрелка 30 на фиг. 1 отображает осевой поток. Один существенный аспект вращающегося струйного инструмента, представленного на фиг. 1 (и описанного выше), состоит в том, что поток находящейся под давлением текучей среды, введенной в ротор, вводится аксиальным способом. Отметим, что проход 5 ротора 1 представляет осевой объем, который проточно сообщается с впускным отверстием 4, поэтому текучая среда, поступающая во впускное отверстие 4 и проход 5, остается, по существу, осевым потоком. Большое количество других вращающихся струйных инструментов имеют в своем составе устройства(например, уплотнители или пробки), расположенные между впускным отверстием кожуха, предназначенным для приема находящейся под давлением текучей среды, и внутренними объемами в полости ротора, что требует использования отводных проходов для введения находящейся под давлением текучей среды во внутренние объемы, находящиеся в полости ротора. Эти отводные проходы прерывают аксиальный поток, изображенный на фиг. 1. Конфигурация аксиального потока создает многочисленные преимущества. Основное преимущество состоит в том, что ограничение впускного потока сведено к минимуму за счет создания короткого, сравнительно открытого прохода для аксиального потока. Вращающиеся струйные инструменты, имеющие конфигурацию, предназначенную для получения аксиального потока, можно выполнить в значительной степени более компактными (т.е. такие вращающиеся струйные инструменты, как правило, имеют, по существу, более компактные конструктивные параметры, чем обычные вращающиеся струйные инструменты, которые содержат вышеописанные отводные проходы). Более того, аксиальная конфигурация потока, описанная в данном документе, позволяет во вращающийся струйный инструмент включить камеру для отстаивания текучей среды (т.е. осадительную камеру 13),которая имеет сравнительно большой размер по сравнению с диаметром уплотнения ротора (то есть, уплотнениями 8, 9 и 10 радиальных зазоров). Напротив, вращающиеся струйные инструменты, включающие отводные конструкции для текучей среды, указанные выше, как правило, включают осадительную камеру, которая имеет сравнительно небольшие размеры по сравнению с диаметром уплотнения ротора. Как отмечено выше, осадительные камеры большего размера улучшают качество струи, выпущенной из вращающегося струйного инструмента. Следующее преимущество, полученное за счет вышеописанной аксиальной конфигурации потока,состоит в том, что проксимальный конец ротора может быть легко доступен для выполнения соединения для отбора мощности (то есть, к проксимальному концу ротора могут быть присоединены механизмы,требующие вращения). Эта (вращательная) движущая сила может быть использована для ряда целей,таких как механическая работа или образование электрической энергии, а также может быть соединена с механизмом торможения, установленным снаружи камеры давления вращающегося струйного инструмента. Как описано выше, на ротор воздействуют гидравлические силы. На фиг. 2 схематически изображены эти гидравлические силы, которые являются сравнительно большими по сравнению с другими силами, такими как гравитация или ускорение, поэтому этими иными силами можно легко пренебречь в приведенном ниже расчете. Суммирование сил в вертикальном направлении приводит к следующему соотношению: гдеFj - вертикальная составляющая реактивной силы струи;Po - давление на впуске роторного узла;Pb - давление в камере компенсации давления (то есть, в проксимальном объеме 11 а);D3 и A3 - фактический диаметр и площадь уплотнения 9 выхода. Площади и диаметры в данном расчете являются попросту обозначениями фактических диаметров и площадей уплотнений. При условии, что все давления взяты относительно Pa и установлены, уравнение баланса сил сводится к Реактивная сила для струи текучей среды пропорциональна падению давления поперек сопла (Po) и площади сопла (Aj). Следовательно, данное соотношение можно выразить следующим образом: где К является константой. Подставляя уравнение 3 в уравнение 2 получаем следующее выражение: которое определяет режим сбалансированного давления. Анализ данного уравнения указывает на несколько моментов. Во-первых, для данных геометрических характеристик давление в камере балансировки давления (проксимальном объеме 11 а) пропорционально давлению на впуске. Увеличение размера струи или площади струи пропорционально повышает давление в камере компенсации давления. Отмечая, что (А 2 - А 1) представляет собой расчетную площадь камеры компенсации давления (проксимальный объем 11 а), давление в указанной камере будет всегда положительным, если (А 2 - А 1) больше, чемA3, включая случай, когда реактивная сила струи равна нулю. Данное соображение важно при проектировании диаметра уплотнений впускного отверстия, корпуса и выхода, поскольку в камере компенсации давления нужно иметь положительное давление, чтобы добиться необходимой флотации или компенсации давления ротора. Указанные выше соотношения можно использовать для облегчения выбора соответствующих размеров уплотнений радиальных зазоров, описанных выше. В действительности D2 определяется размерами кожуха, на которые оказано давление; D3 выбирается таким образом, чтобы оно было максимально согласовано с измерением D1, так чтобы ограничение потока, вызванное проходами 5,образовало перепад давления, который является небольшим по сравнению с рабочим давлением (то есть,примерно меньше 10%, а более предпочтительно 1% или менее). Существенно, что общая площадь каждого прохода 5 является относительно большой по сравнению с общей площадью каждого сопла 6. Предпочтительно, соотношение площадей потока в проходах 5 и соплах 6 будет составлять примерно 10:1. То есть, предпочтительно общая площадь проходов 5 будет примерно в 10 раз больше общей площади сопел 6. Таким образом, если использовать два сопла с одинаковой площадью сечения потока, (т.е. каждое сопло имеет одинаковую площадь поперечного сечения в месте их минимального диаметра, как правило, на выпуске), и использовать одно проходное сечение, соединяющее впускное отверстие ротора с двумя соплами, то площадь сечения потока одного проходного сечения (то есть, площадь поперечного сечения в месте минимального диаметра проходного сечения) будет сравнительно большой по сравнению с общей площадью сечения потока двух сопел. В особенно предпочтительном варианте выполнения общая площадь сечения потока всех проходных сечений (тех проходов, которые соединяют впускное отверстие ротора с соплами) составляет примерно 10-кратную общую площадь сечения потока сопел. Однако этот расчет предназначен в качестве примера, поскольку инструменты, дающие хорошие результаты, можно применять там, где общая площадь сечения потока таких проходов больше, чем общая площадь сечения потока сопел, но не более чем в 10 раз. Другой принцип, описанный в данном документе, заключается в том, что внутри корпуса ротора находится вращающийся струйный инструмент, в который входит тормозной механизм. Если бы роторный вал вращающегося струйного инструмента мог неограниченно вращаться при полном давлении,скорость вращения могла бы быть очень высокой, приводя к чрезмерному износу уплотнительных частей. Вращающиеся струйные инструменты, используемые в бурении, часто имеют тормозной модуль,присоединенный проксимально к данному инструменту в промежутке между бурильной колонной и вращающимся струйным инструментом. Хотя такие тормозные модули являются эффективными, они, по сути, увеличивают длину оборудования, расположенного на дистальном конце бурильной колонны (то есть, соединение тормозного модуля и вращающегося струйного инструмента существенно длиннее, чем сам вращающийся струйный инструмент). В данном документе обсуждается вращающийся струйный инструмент, который содержит выполненный как единое целое тормоз (то есть, тормозной механизм,расположенный между дистальным и проксимальным концом ротора во вращающемся струйном инструменте), который позволяет более компактные размеры вращающегося струйного инструмента, при этом достигается возможность торможения. Если во вращающийся струйный инструмент, содержащий вышеописанный аксиальный поток согласно фиг. 1, входит выполненный как единое целое тормоз, можно получить компактный и самотормозящий вращающийся струйный инструмент. Несмотря на то, что в-6 011623 особо предпочтительном варианте выполнения ротор со сбалансированным давлением и выполненный как единое целое тормоз выполнены в отдельном вращающемся струйном инструменте, следует признать, что любой вариант (а именно, ротор со сбалансированным давлением или ротор с выполненным как единое целое тормозом) может быть выполнен по отдельности во вращающемся струйном инструменте путем применения технологии, описанной в данном документе. Таким образом, вращающийся струйный инструмент, включающий оба принципа, приведен в качестве образца, а не является ограничивающим по отношению к настоящему описанию. Предпочтительно выполненный как единое целое тормозной механизм содержит механические фрикционные тормоза, приводимые в действие центробежными силами. Однако должно быть понятно,что вместо этого могли бы использоваться альтернативные тормозные механизмы. Некоторые возможные альтернативные варианты включают, но не ограничиваются, тормозными механизмами, основанными на магнитных свойствах, вязких текучих средах и кинематических свойствах текучих сред. Первый вариант выполнения вращающегося струйного инструмента, включающего тормозной механизм, выполненный как единое целое с ротором, представлен на фиг. 3, 4 А и 4 В. Сам тормозной механизм лучше всего виден на фиг. 4 В. Во вращающийся струйный инструмент, представленный на фиг. 3,4 А и 4 В, целесообразно включить вышеописанный ротор со сбалансированным давлением; однако специалисты в данной области техники знают, что встроенный тормозной механизм может быть выполнен во вращающихся струйных инструментах, которые не содержат вышеописанный ротор со сбалансированным давлением. Для установки тормозного механизма могут быть использованы пространства, расположенные между струйными соплами в роторе. В одном предпочтительном иллюстративном варианте выполнения тормозные колодки помещены в карманах таким образом, что центробежная сила заставляет их тормозить по внутренней поверхности камеры давления (т.е. внутренней поверхности кожуха). Такая конфигурация особенно выгодна тогда, когда главным соображением является получение компактного размера инструмента. Фиг. 3 представляет собой вид дистального конца вращающегося струйного инструмента первого предпочтительного варианта выполнения, включающего ротор со сбалансированным давлением и выполненный как единое целое центробежный тормоз. Фиг. 4 А представляет собой вид сбоку разреза по линии 4 А-4 А, показанной на фиг. 3, вращающегося струйного инструмента, представленного на фиг. 3,изображающий подробности, имеющие отношение к потоку находящейся под давлением текучей среды через струйный инструмент, в то время как фиг. 4 В представляет собой вид сбоку разреза по линии разреза 4B-4B, показанной на фиг. 3, вращающегося струйного инструмента, представленного на фиг. 3,изображающий подробности, имеющие отношение к выполненному как единое целое центробежному тормозу. Номера позиций элементов конструкции на вышеописанных чертежах совпадают с одинаковыми элементами конструкции в настоящем иллюстративном варианте выполнения. Как видно из фиг. 3, 4 А и 4 В, ротор 1 расположен внутри камеры давления 3 (ограниченной кожухом 2) с задним переходником 14, который ввинчен в кожух 2. Диаметры уплотнения 8 входа, уплотнения 9 выхода и уплотнения 10 корпуса выбраны как описано выше, чтобы гарантировать, что как только ротор достигает конфигурации сбалансированного давления, осевое положение ротора начинает не закрывать (то есть, открывает) кольцевую балансировочную канавку 17, устанавливая сообщение проксимального объема 11 а (камеры компенсации давления) с дренажным проходом 12. При этих условиях любая дополнительная текучая среда, введенная в камеру компенсации давления, будет выпущена в окружающий объем. Таким образом, когда проксимальный край ротора 1 движется вниз мимо верхней кромки кольцевой балансировочной канавки 17, камера компенсации давления (то есть, проксимальный объем 11 а) вентилируется до внешнего давления, заставляя ротор перемещаться кверху. Когда проксимальный край ротора 1 перемещается обратно мимо верхней кромки кольцевой балансировочной канавки 17,повышается давление внутри камеры компенсации давления (то есть, внутри проксимального объема 11 а), заставляя ротор двигаться книзу. Использование кольцевой балансировочной канавки 17 в соединении с дренажным проходом 12 позволяет получить более точный контроль за осевым положением ротора 1, чем в случае, если бы дренажный проход 12 был выполнен без использования кольцевой балансировочной канавки 17. В данном иллюстративном варианте выполнения ротор 1 содержит два сопла 6 а и 6b, которые выпускают струи, соответственно, 7 а и 7b. Сопло 6 а расположено таким образом, что струя выпускается поперек центральной оси ротора, тем самым гарантируя, что грунт, находящийся перед ротором, разрезается струей. Сопло 6b расположено на периферии открытой части ротора 1 и наклонено так, что его струя ударяется непосредственно в устойчивое к эрозии опорное кольцо 18. В кожухе 2 имеются отверстия 19, которые позволяют удаление отходов, полученных во время бурения струей. Ось сопла 6b отклонена от оси ротора 1, поэтому реактивная сила струи образует вращающий момент, действующий на ротор, заставляя его вращаться. Более того, выпускной угол и диаметр сопел 6b и 6 а одинаковы с целью компенсации любых боковых нагрузок на ротор 1. Специалисты в данной области техники знают, что боковые нагрузки от любого количества струй можно компенсировать соответствующей комбинацией ориентации и диаметра струи. Во вращающемся струйном инструменте варианта выполнения, представленного на фиг. 4 В, струй-7 011623 ный ротор имеет карманы 32 а и 32b, предназначенные для размещения тормозов 20 а и 20b для регулировки скорости вращения ротора. Тормоза фрикционно сцепляются с втулками 15, которые прикреплены к кожуху 2 при помощи уплотнения 16. Могут быть использованы отдельные втулки, либо одна кольцевая втулка. Тормоза 20 а и 20b и втулки 15 предпочтительно выполнены из износостойкого материала,такого как керамика или цементированный карбид. Вращающий момент, созданный отклоненной струей 7b остается постоянным, в то время как сила фрикционного торможения увеличивается с увеличением скорости вращения. Следовательно, ротор вращается с постоянной скоростью, которая существенно ниже, чем разносная скорость. На фиг. 5, 6 А и 6 В изображен второй вариант выполнения вращающегося струйного инструмента,содержащего тормозной механизм, выполненный как единое целое с ротором. Тормозные детали, выполненные как единое целое с ротором, лучше всего видны на фиг. 6 В, хотя коническую часть патрона,предназначенную для фрикционного сцепления тормозных элементов, выполненных как единое целое с ротором, можно видеть как на фиг. 6 А, так и на фиг. 6 В. Во вращающийся струйный инструмент, представленный на фиг. 5, 6 А и 6 В, целесообразно включить ротор со сбалансированным давлением, обсужденный выше; однако специалисты в данной области техники должны знать, что встроенный тормозной механизм можно выполнить во вращающихся струйных инструментах, которые не содержат камеру компенсации давления, описанную выше. Главное отличие между вторым вариантом выполнения вращающегося струйного инструмента, содержащим тормозной механизм, и первым вариантом выполнения, описанным выше, состоит в наличии конической части патрона, которая более подробно описывается далее. Итак, второй вариант выполнения особенно хорошо подходит для получения вращающегося струйного инструмента, имеющего компактные размеры и возможность торможения. Фиг. 5 представляет собой вид дистального конца вращающегося струйного инструмента второго предпочтительного варианта выполнения, включающего ротор со сбалансированным давлением и выполненный как единое целое центробежный тормоз. Фиг. 6 А представляет собой вид сбоку разреза по линии 6 А-6 А, показанной на фиг. 5, вращающегося струйного инструмента, представленного на фиг. 5,изображающий подробности, имеющие отношение к потоку находящейся под давлением текучей среды,проходящей через указанный инструмент, в то время как фиг. 6 В представляет собой вид сбоку разреза по линии 6 В-6 В, показанной на фиг. 5, вращающегося струйного инструмента, представленного на фиг. 5, изображающий подробности, имеющие отношение к выполненному как единое целое центробежному тормозу. Номера позиций для элементов конструкции, общих с ранее описанными чертежами, не меняются. Как и в ранее описанных вариантах выполнения ротор 1 удерживается внутри камеры давления 3 за счет заднего переходника 14, который ввинчен в кожух 2. Диаметры уплотнителей радиальных зазоров(уплотнение 8 входа, уплотнение 9 выхода и уплотнение 10 корпуса) выбраны, как описано ранее, с целью достижения условия балансировки давления, при этом гидравлические силы, действующие на ротор,уравновешены, когда осевое положение ротора устанавливает сообщение кольцевой балансировочной канавки 17 и дренажного прохода 12 с объемом компенсации давления (то есть, проксимальным объемом 11 а). В данном варианте выполнения ротор 1 имеет два сопла 6 а и 6b, которые выпускают струи,соответственно, 7 а и 7b. Сопло 6 а расположено так, что струя выбрасывается поперек центральной оси ротора, таким образом гарантируя, что грунт, находящийся перед ротором, разрезается струей. Сопло 6b расположено на периферии открытой части ротора 1 и наклонено так, что струя 7b ударяется прямо в устойчивое к эрозии опорное кольцо 18. В кожухе 2 имеются отверстия 19, которое способствуют удалению отходов, полученных во время бурения струей. Ось сопла 6b отклонена от оси ротора 1, поэтому реактивная сила струи образует вращающий момент, действующий на ротор, заставляя его вращаться. Как обсуждалось в вышеописанных вариантах, выпускной угол и диаметр сопел 6 а и 6b одинаковы для того, чтобы компенсировать любые боковые нагрузки на ротор 1. Струйный ротор имеет карманы 32 а и 32b, предназначенные для размещения центробежных тормозов 20 а и 20b для регулировки скорости вращения ротора. Во втором предпочтительном иллюстративном варианте выполнения вращающегося струйного инструмента с тормозными элементами, входящими в состав ротора (т.е., вариант выполнения, представленный на фиг. 5, 6 А и 6 В), тормозные элементы фрикционно сцепляются с коническим патроном 21,который подогнан в соответствующее сужение, выполненное внутри кожуха 2. Тормоза 20 а и 20b, а также конический патрон 21 предпочтительно выполнены из износостойкого материала, такого как керамика или цементированный карбид. Вращающий момент, созданный отклоненной струей 7b, является постоянным, в то время как сила фрикционного торможения увеличивается с увеличением скорости вращения. Таким образом, ротор вращается с постоянной скоростью, которая, по существу, ниже, чем разносная скорость. Конический патрон 21 имеет дренажный проход 12, кольцевую балансировочную канавку 17, уплотнение 9 выхода и уплотнение 10 корпуса, как правило, такие, как описано выше. Задний переходник 14 содержит камеру 24, собирающую текучую среду, и вентиляционные отверстия 25, которые позволяют текучей среде быть выпущенной в окружающее пространство. Вкладыш 22, выполненный из износостойкого материала, помещен внутрь кармана в заднем переходнике 14 с кольцевым уплотнением 23, которое препятствует утечке вокруг вкладыша. Вкладыш 22 создает наружную поверх-8 011623 ность уплотнения 8 входа. Вкладыш выполнен с возможностью свободного перемещения в продольном направлении до тех пор, пока он сцепляется с коническим патроном 21. Конструкция конического патрона позволяет использовать износостойкие материалы на поверхностях скольжения тормозов и уплотнений. Износостойкие материалы, такие как цементированный карбид,как правило не обеспечивают предел прочности на разрыв, необходимый для согласования высоких внутренних давлений для струйного бурения. Внутреннее давление, действующее на заднюю поверхность вкладыша 22, вгоняет его в конический патрон 21. Угол конусности патрона сравнительно мал,поэтому сила, оказываемая вкладышем, вызывает периферическое напряжение сжатия, действующее на конический патрон, а также напряжение растяжения, действующее на кожух 2, который предпочтительно выполнен из высокопрочного материала, такого как сталь. Периферическое напряжение сжатия уравновешивает напряжения растяжения, созданные внутренним давлением в коническом патроне. Кроме того, конструкция патрона позволяет поверхностям уплотнений 9 и 10 радиальных зазоров быть обработанными за один проход, чтобы обеспечить концентричность поверхностей. Некоторые преимущества вышеописанных вариантов выполнения достигаются при помощи перечисленных ниже возможностей: короткие и компактные вращающиеся струйные инструменты; вращающиеся струйные инструменты, струи которых направлены по направлению к измерителю инструмента; вращающиеся струйные инструменты, включающие суженные отверстия для впуска текучей среды с целью обеспечения лучшего качества струй текучей среды; вращающиеся струйные инструменты с минимальными ограничениями потока между впускным отверстием инструмента и отверстием для выпуска струи текучей среды; и вращающиеся струйные инструменты, имеющие отверстие для впуска текучей среды, диаметр которого составляет существенную часть от диаметра инструмента. Несмотря на то, что настоящее изобретение описано в связи с предпочтительным вариантом его выполнения и его модификациями, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в настоящем изобретении можно выполнить множество других модификаций, не отходя от объема правовой охраны формулы изобретения, которая приведена ниже. Следовательно, это означает, что объем изобретения в любом случае не ограничен приведенным выше описанием, а полностью определен формулой изобретения, которая приведена далее. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Вращающееся струйное устройство, содержащее:(a) кожух, ограничивающий проход для текучей среды, находящейся под давлением;(b) ротор, по меньшей мере часть которого расположена коаксиально внутри кожуха, который имеет проксимальный и дистальный концы и выполнен с возможностью вращения относительно кожуха и перемещения в продольном направлении относительно кожуха, при этом ротор содержит:(i) отверстие для впуска текучей среды, расположенное на проксимальном конце ротора и выполненное с возможностью приема находящейся под давлением текучей среды из указанного прохода для текучей среды, так что направление находящейся под давлением текучей среды при поступлении ее в ротор является коаксиальным с ротором; и(ii) по меньшей мере одно сопло, расположенное смежно с дистальным концом ротора, соединенное с обеспечением проточного сообщения с отверстием для впуска текучей среды и предназначенное для выпуска струи находящейся под давлением текучей среды с обеспечением вращения ротора относительно кожуха;(c) первый объем компенсации давления, ограниченный кожухом и ротором и расположенный смежно с проксимальным концом ротора; и(d) воздушный клапан, выполненный с возможностью избирательного создания проточного сообщения первого объема компенсации давления с окружающим пространством в зависимости от осевого положения ротора относительно кожуха. 2. Вращающееся струйное устройство по п.1, дополнительно содержащее второй объем компенсации давления, ограниченный кожухом и ротором и расположенный смежно с дистальным концом ротора. 3. Вращающееся струйное устройство по п.2, в котором ротор с созданием уплотнения входит в контакт с кожухом в:(a) первом месте, расположенном проксимально первому объему компенсации давления;(b) втором месте, расположенном дистально первому объему компенсации давления и проксимально второму объему компенсации давления; и(c) третьем месте, расположенном дистально второму объему давления. 4. Вращающееся струйное устройство по п.3, в котором площадь уплотнения, связанная с третьим местом, меньше, чем разница между площадью уплотнения, связанной с первым местом, и площадью-9 011623 уплотнения, связанной со вторым местом. 5. Вращающееся струйное устройство по п.3, в котором диаметр, связанный с каждым из мест, первым, вторым и третьим, выбран с обеспечением вхождения ротора в режим компенсации давления, когда аксиальное положение ротора относительно кожуха таково, что первый объем компенсации давления проточно сообщается с воздушным клапаном. 6. Вращающееся струйное устройство по п.1, в котором указанное по меньшей мере одно сопло имеет по меньшей мере одно из следующих расположений струй:(a) одна струя по центру и множество смещенных струй и(b) по меньшей мере одна струя по центру и по меньшей мере одна смещенная струя. 7. Вращающееся струйное устройство по п.1, в котором воздушный клапан имеет кольцевую канавку и по меньшей мере одно отверстие в кожухе, устанавливающее проточное сообщение кольцевой канавки с объемом окружающей среды. 8. Вращающееся струйное устройство по п.1, в котором ротор дополнительно содержит регулятор центробежного тормоза, выполненный с возможностью приложения силы торможения к ротору при достижении им заданной скорости вращения и расположенный между дистальным и проксимальным концами ротора. 9. Вращающееся струйное устройство по п.8, в котором дистальный конец указанного кожуха имеет сужение, при этом устройство дополнительно содержит конический патрон, выполненный из износостойкого материала, взаимодействующий с дистальным коническим концом кожуха и выполненный с возможностью фрикционного взаимодействия с регулятором центробежного тормоза. 10. Вращающееся струйное устройство по п.1, в котором суммарная площадь каждого прохода в роторе, соединяющего впускное отверстие с указанным по меньшей мере одним соплом, сравнительно велика по сравнению с суммарной площадью каждого по меньшей мере одного сопла. 11. Вращающееся струйное устройство по п.10, в котором суммарная площадь каждого прохода в роторе, соединяющего впускное отверстие с указанным по меньшей мере одним соплом, по меньшей мере примерно в 10 раз больше суммарной площади каждого по меньшей мере одного сопла. 12. Способ уравновешивания ротора давлением во вращающемся струйном инструменте, включающий:(a) введение находящейся под давлением текучей среды в ротор через впускное отверстие, расположенное в проксимальной части ротора так, что направление указанной текучей среды при ее поступлении в ротор является коаксиальным с ротором;(b) выпуск основной части находящейся под давлением текучей среды, введенной в ротор, из дистального конца ротора с обеспечением сообщения ротору вращающей силы и приложения к ротору аксиальной силы в направлении, в целом противоположном направлению поступления в ротор указанной текучей среды; и(c) направление незначительной части находящейся под давлением текучей среды по другой траектории с обеспечением приложения тем самым к ротору аксиальной силы в направлении, в целом соответствующем направлению находящейся под давлением текучей среды при ее поступлении в ротор с уравновешиванием тем самым ротора давлением. 13. Способ по п.12, дополнительно включающий этап установки проточного сообщения указанной незначительной части находящейся под давлением текучей среды, которая сообщает аксиальную силу ротору, с окружающим объемом, когда величина аксиальной силы, сообщаемой ротору этой незначительной частью текучей среды, превышает величину аксиальной силы, сообщаемой ротору основной частью находящейся под давлением текучей среды, выпущенной из дистального конца ротора. 14. Способ по п.12, дополнительно включающий этап переноса находящейся под давлением текучей среды от впускного отверстия по меньшей мере к одному соплу с использованием по меньшей мере одного прохода, так что суммарная площадь каждого такого прохода является сравнительно большой по сравнению с суммарной площадью каждого по меньшей мере одного сопла. 15. Способ по п.12, дополнительно включающий этап регулирования максимальной скорости вращения ротора с использованием центробежного тормоза, входящего в состав ротора. 16. Способ уравновешивания ротора давлением во вращающемся струйном инструменте, включающий:(a) создание объема компенсации давления, ограниченного ротором и невращающейся частью вращающегося струйного инструмента;(b) введение находящейся под давлением текучей среды в ротор через впускное отверстие, расположенное в проксимальной части ротора так, что направление перемещения находящейся под давлением текучей среды, в котором она поступает в ротор, является коаксиальным с ротором;(c) выпуск находящейся под давлением текучей среды из дистального конца ротора с обеспечением сообщения ротору вращающей силы и перемещения ротора в продольном направлении с уменьшением тем самым размера объема компенсации давления;(d) направление части находящейся под давлением текучей среды в объем компенсации давления с образованием тем самым гидродинамического подшипника между ротором и невращающейся частью(e) увеличение количества находящейся под давлением текучей среды в объеме компенсации давления с обеспечением перемещения ротора в продольном направлении с увеличением тем самым размера объема компенсации давления до тех пор, пока не откроется воздушный клапан, создающий проточное сообщение между объемом компенсации давления и объемом окружающей среды, уравновешивая, тем самым, ротор давлением. 17. Вращающееся струйное устройство, содержащее:(a) кожух, ограничивающий проход текучей среды, находящейся под давлением;(b) ротор, по меньшей мере часть которого расположена коаксиально внутри кожуха и который имеет проксимальный и дистальный конец и выполнен с возможностью вращения относительно кожуха и перемещения в продольном направлении относительно кожуха, причем дистальный конец содержит по меньшей мере одно сопло, проточно сообщающееся с проходом для текучей среды и предназначенное для выпуска струи находящейся под давлением текучей среды с обеспечением вращения ротора относительно указанного кожуха;(c) первый объем компенсации давления, ограниченный кожухом и ротором и расположенный смежно с проксимальным концом ротора;(d) второй объем компенсации давления, ограниченный кожухом и ротором и расположенный смежно с дистальным концом ротора; и(e) воздушный клапан, выполненный с возможностью избирательного создания проточного сообщения первого объема компенсации давления с объемом окружающей среды в зависимости от аксиального положения ротора относительно кожуха. 18. Вращающееся струйное устройство по п.17, в котором ротор с созданием уплотнения входит в контакт с кожухом в:(a) первом месте, расположенном проксимально первому объему компенсации давления;(b) втором месте, расположенном дистально первому объему компенсации давления и проксимально второму объему компенсации давления; и(c) третьем месте, расположенном дистально второму объему компенсации давления, причем диаметр, связанный с каждым из мест, первым, вторым и третьим, выбран с обеспечением вхождения ротора в режим компенсации давления, когда аксиальное положение ротора относительно кожуха таково, что первый объем компенсации давления проточно сообщается с воздушным клапаном. 19. Вращающееся струйное устройство по п.17, в котором ротор дополнительно содержит регулятор центробежного тормоза, выполненный с возможностью сообщения ротору силы торможения при достижении им заданной скорости вращения и расположенный между дистальным и проксимальным концами ротора. 20. Вращающееся струйное устройство по п.17, в котором ротор дополнительно содержит отверстие для впуска текучей среды, расположенное на проксимальном конце ротора и выполненное с возможностью приема находящейся под давлением текучей среды из прохода для текучей среды с обеспечением поступления указанной текучей среды в ротор в направлении, параллельном продольной оси ротора. 21. Вращающееся струйное устройство по п.17, в котором воздушный клапан имеет кольцевую канавку и по меньшей мере одно отверстие в кожухе, образующее проточное сообщение кольцевой канавки с объемом окружающей среды. 22. Вращающееся струйное устройство по п.17, в котором указанное по меньшей мере одно сопло имеет по меньшей мере одно из следующих расположений струй:(a) одна струя по центру и множество смещенных струй и(b) по меньшей мере одна струя по центру и по меньшей мере одна смещенная струя. 23. Вращающееся струйное устройство, содержащее:(a) кожух, ограничивающий проход для текучей среды, находящейся под давлением;(b) ротор, по меньшей мере часть которого расположена коаксиально внутри кожуха и который имеет проксимальный и дистальный концы и выполнен с возможностью вращения относительно кожуха,причем дистальный конец содержит по меньшей мере одно сопло, проточно сообщающееся с проходом для текучей среды и выполненное с возможностью выпуска струи находящейся под давлением текучей среды с обеспечением тем самым вращения ротора относительно указанного кожуха; и(c) центробежный тормоз, расположенный между проксимальным и дистальным концами ротора и выполненный с возможностью фрикционного взаимодействия с ротором при заданной скорости вращения, ограничивая тем самым максимальную скорость вращения ротора. 24. Вращающееся струйное устройство по п.23, в котором ротор дополнительно имеет отверстие для впуска текучей среды, расположенное на проксимальном конце ротора и выполненное с возможностью приема находящейся под давлением текучей среды из прохода для текучей среды с обеспечением поступления указанной текучей среды в ротор в продольном направлении. 25. Вращающееся струйное устройство по п.23, в котором ротор выполнен с возможностью перемещения в продольном направлении относительно кожуха и которое дополнительно содержит:(a) первый объем компенсации давления, ограниченный кожухом и ротором и расположенный смежно с проксимальным концом ротора; и(b) воздушный клапан, выполненный с возможностью избирательного создания проточного сообщения первого объема компенсации давления с объемом окружающей среды в зависимости от аксиального положения ротора относительно кожуха. 26. Вращающееся струйное устройство по п.25, в котором воздушный клапан имеет кольцевую канавку и по меньшей мере одно отверстие в кожухе, образующее проточное сообщение кольцевой канавки с объемом окружающей среды. 27. Вращающееся струйное устройство по п.25, в котором ротор с созданием уплотнения входит в контакт с кожухом в первом месте, расположенном проксимально первому объему компенсации давления, во втором месте, расположенном дистально первому объему компенсации давления и проксимально дистальному концу ротора, и в третьем месте на дистальном конце ротора, причем диаметр, связанный с каждым из мест, первым, вторым и третьим, выбран с обеспечением вхождения ротора в режим компенсации давления, когда аксиальное положение ротора относительно кожуха таково, что первый объем компенсации давления проточно сообщается с воздушным клапаном. 28. Вращающееся струйное устройство по п.23, в котором дистальный конец указанного кожуха имеет сужение, а устройство дополнительно содержит конический патрон, выполненный из износостойкого материала, взаимодействующий с дистальным коническим концом кожуха и выполненный с возможностью фрикционного взаимодействия с центробежным тормозом. 29. Вращающееся струйное устройство по п.23, в котором указанное по меньшей мере одно сопло имеет по меньшей мере одно из следующих расположений струй:(a) одна струя по центру и множество смещенных струй и(b) по меньшей мере одна струя по центру и по меньшей мере одна смещенная струя.

МПК / Метки

МПК: B05B 3/06, F01D 3/00

Метки: головкой, ротор, улучшенной, плавающей, струйности, турбины, реактивной

Код ссылки

<a href="http://easpatents.com/15-11623-rotor-reaktivnojj-turbiny-s-plavayushhejj-golovkojj-uluchshennojj-strujjnosti.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Ротор реактивной турбины с плавающей головкой улучшенной струйности</a>

Похожие патенты