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Axialdrucklager, insbesondere für Bohrturbinen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Axialdrucklager, insbesondere für Bohrturbinen, bei welchem jeweils die Umlaufflüssigkeit in Höhe der aus einer mit elastischen Schuhen versehenen Lagerscheibe und einer glatten Abnutzscheibe bestehenden Drucklagerstufen einen oder mehrere durch eine Vielzahl von aufeinander folgenden Stator- und Rotorkanälen gebildete Zulaufkanäle durchströmt.
Die Betriebszeit der Tiefbohrmotoren ist in weitgehendem Masse durch die Verschleisszeit der Axialdrucklager bestimmt, die entweder die mit dem Lauf der Maschine verbundenen Druckwirkungen (Gewicht des Rotors und bei Turbinen den hydraulischen Druck) oder den Druck des Bohrwerkzeuges auf dem Boden oder auch die algebraische Summe dieser zwei Druckwirkungen auszuhalten haben.
Bekanntlich ist es möglich, die Abnutzung dieser Drucklager herabzusetzen, insbesondere, wenn sie durch die Betriebsflüssigkeit selbst geschmiert werden, indem zur Kühlung und Schmierung der Kontaktflächen die Menge der das Drucklager durchströmenden Flüssigkeit erhöht wird. Ganz besonders wichtig ist dieser Einfluss bei den Drucklagern, die Reibflächen aufweisen, z. B. bei den gummierten Drucklagern odi. dgl., die in den Bohrturbinen oder in den neuzeitlichen Elektromotoren verwendet werden.
Bei den Tiefbohrmotoren, insbesondere bei den Bohrturbinen, werden die einzelnen Teile des Drucklagers durch die Umlaufflüssigkeit umspült, damit die Reibflächen auf das bestmöglichste berieselt bzw. bespült werden.
Die Erfindung macht sich zur Aufgabe, Axialdrucklager zu schaffen, bei denen der Spülungsgrad erhöht und auf einen geeigneten Wert geregelt werden kann, so dass deren Ver- schleiss herabgesetzt sowie die Betriebszeit des Motors zwischen zwei Auswechselungen der Drucklager verlängert wird.
Da diese Axialdrucklager aus einer Mehrzahl aufeinanderfolgender, ortsfester, mit dem Statorteil verbundener Teile besteht, die durch sich drehende Rotorteile bzw. -scheiben ge- trennt sind, läuft der Hauptstrom der Betriebs- flüssigkeit durch eine Aufeinanderfolge von Kanalabschnitten zweier Arten.
Das erfindungsgemässe Axialdrucklager ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der Stator- und/oder Rotorkanäle der Drucklager jeweils in Höhe einer Stufe ver- ändert. Diese Kanäle sind mit den Lagerflächen der Drucklager in Verbindung und die Querschnittsänderungen der Kanäle am übergang von einer Drucklagerstufe zur andern erzeugen zwischen den zwei Flächen eines Teiles (z. B. des Stators), welcher durch den vom Hauptstrom abgezweigten Spülungsstrom umflossen werden kann, oder zwischen den stromabwärts oder stromaufwärts befindlichen Flächen (oder umgekehrt) von zwei aufeinanderfolgenden Stufen einen Druckunterschied mit der Wirkung, die Durchflussmenge des die Drucklagerelemente umspülenden Flüssigkeitsstromes zu erhöhen.
Auf diese Weise kann die Menge des abgezweigten Spülungsstromes mittels einer geeigneten Einstellvorrichtung geregelt und auch gegebenenfalls während des Betriebes geändert werden.
Die z. B. zwischen dem Eingang und dem Ausgang des bzw. der Kanäle des ortsfesten Teiles einer jeden Stufe des Drucklagers bewirkte Querschnittsverminderung hat demnach für eine bestimmte Durchflussmenge eine Druckverminderung in Flussrichtung und somit einen stärkeren Strom der Umlaufflüssigkeit in das Innere des Drucklagers zur Folge, so dass die Lagerflächen bespült werden.
Für eine bestimmte Durchflussmenge ist es möglich, d'en Wert des Druckunterschiedes. durch Beeinflussung des Wertes der Querschnittsänderung der Kanäle zwischen deren Eingang und Ausgang in den ortsfesten Teilen des Drucklagers zu ändern.
Die einzelnen ortsfesten Teile sind) jeweils derart ausgebildet, dass der Kanalquerschnitt zwischen dem Zu- und Ausfluss beliebig reduziert werden kann.
Gemäss einem Merkmal des Erfindungsge-
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genstandes kann die Querschnittsreduzierung dadurch erzielt werden, dass die von der Umlaufflüssigkeit durchflossenen Kanäle in Höhe der Drucklagerstufen profiliert sind, z. B. indem je zumindest eine Kanalwand gegen die Senkrechte geneigt ist, um diesen Kanal konvergent auszubilden. Die Zuflussöffnungen dieser Kanäle können auch entsprechend profiliert werden.
Weiterhin kann, gemäss Bernouillis Lehrsatz, die durch diese Querschnittsverminderung aufgenommene Energie teilweise rückgewonnen werden, indem Kanalabschnitte abnehmenden Querschnittes, die sich in den ortsfesten Teilen befinden, mit Kanalabschnitten zunehmenden Querschnittes abwechselnd angeordnet sind, die vorteilhaft zwischen der rückwärtigen Fläche einer Drucklagerstufe und der Vorderfläche der nächstfolgenden Stufe ungefähr nach Art eines Venturirohres angeordnet sind.
Im Gegensatz zu den meisten bekannten Axialdrucklagern können die erfindungsgemässen Drucklager vorteilhaft in Achsrichtung asymmetrisch ausgebildet sein. Es ist wünschenswert, diese Asymmetrie hervorzuheben, damit sie auffällt und dadurch verhindert, dass bei dem Zusammenbau Drucklager mit Umlaufkanälen stufenlos abnehmenden Querschnittes verkehrt montiert werden. Durch die Hervorhebung der Asymmetrie werden noch weitere Vorteile erreicht : So z. B. ist es möglich, durch Versetzen der Äquatorebene des eigentlichen Drucklagerelementes gegenüber der Mitte der Höhe des äusseren Körpers dieses Drucklagers dasselbe den Montagetoleranzen der Turbinen und sonstigen unterirdisch eingesetzten Motoren anzupassen und somit die Montage zu erleichtern. Auch gestattet diese Asvmmetrie, auf der Fläche der elastischen Schuhe, z. B.
Gummischuhe, asymmetrische Umlaufkanäle vorzusehen, wobei die Schuhe jeweils eine abgerundete, das Eindringen eines Flüssigkeitsfilmes zwischen den Kontaktflächen begünstigende Leitkante sowie eine hintere Kante, die scharf ausgestaltet sein kann, aufweisen. Ausserdem kann auf diese Weise die wirksame Lagerfläche der durch die radialen Umlaufkanäle begrenzten Schuhe grösser bemessen sein.
In der Zeichnung sind schematisch zwei Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes beispielsweise dargestellt u. zw. zeigen Fig.
1 einen Abschnitt einer Bohrturbine im Bereich des Axialdrucklagers im senkrechten Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie lI-lI in Fig. 1, Fig. 3 eine Einzelheit im Schnitt und in grösserem Massstab nach der Linie III-III in Fig. 2 und Fig. 4 eine Ausführungsvariante im Längsschnitt gemäss Fig. 1.
Gemäss Fig. 1 trägt der Turbinenkörper 1 an seiner inneren Fläche aufeinandergesetzte Ringteile 2, mit welchen die gummierten Schuhe 4 und 5 od. dgl. tragenden Druckscheiben 3 verbunden sind. Wie üblich trägt die Turbinenwelle 6 drehbar angeordnete Scheiben 7, die durch Distanzringe 8 auf Abstand gehalten werden.
Erfindungsgemäss weisen, wie gezeigt, die in den Druckscheiben 3 eingearbeiteten Durchflusskanäle 9 einen stufenlos abnehmenden Querschnitt auf, dadurch, dass jeweils die innere Wand der Kanäle nach aussen geneigt ist, um den entsprechenden Teil der Druckscheibe kegelförmig zu gestalten, also dadurch, dass die entgegengesetzten Flächen der Kanäle 9 jeweils konvergieren. Durch diese Anordnung wird zwischen vor bzw. hinter der betreffenden Drucklagerstufe gelegenen Punkten ein Druckabfall erzielt, was den Umlauf der Flüssigkeit innerhalb des Drucklagers selbst begünstigt.
Die gummierten Schuhe 4 und 5 sind durch
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in welchen die Umlaufflüssigkeit läuft, die ebenfalls einen zwischen der inneren peripherischen Oberfläche der Druckscheiben 3 und der äusseren peripherischen Oberfläche der Ringe 8 belassenen Spalt 11 durchströmt. Bei diesen Drucklagern strömt also die Spülflüssigkeit durch die Kanäle 10 der Schuhe 4, die Spalte 11 und die Kanäle 10 der Schuhe 5 und kommt wieder zum Hauptumlaufstrom.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, zeigt das Profil dieser Kanäle, in einer Ebene betrachtet, die einen Kreis tangiert, d'essen Mittelpunkt auf der Welle 6 liegt, dass jeder gummierte Schuh 4 eine abgerundete Leitkante 12 und eine scharfe hintere Kante 13 aufweist, was das Mitreissen der Umlaufflüssigkeit durch die beweglichen Scheiben, die in Pfeilrichtung rotieren, begünstigt.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass die Bespülung der Drucklager durch eine Neigung der oberen Auflageflächen der Druckscheiben 3 nach dem Mittelpunkt zu zwischen den Kanälen 9, wie bei 3'angedeutet, begünstigt wird.
Aus Fig. 1 geht ferner hervor, dass jede Drucklagerstufe eine axiale Asymmetrie aufweist, in der Beziehung, dass die die gummierten Schuhe 4 und 5 tragende Druckscheibe 3 mit Bezug auf die mittlere querliegende Ebene des Ringteiles 2 versetzt ist. Durch diese Asymmetrie wird, wie vorstehend erklärt, die Montage erleichtert.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 4 ist der gemäss Fig. 1 ähnlich, jedoch weisen hier die von der Turbinenrotorwelle 6 getragenen beweglichen Scheiben 7 eine kegelförmige, nach unten konvergierende Form auf, so dass der jeweils in Höhe der Scheiben 7 für die Umlauf-
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Flüssigkeit vorgesehene Kanal 14 sich stromabwärts erweitert, was den in den jeweils in Höhe der Drucklagerstufen vorgesehenen Kanälen 9 verursachten Energieverlust teilweise ausgleicht. Ausserdem sind die gummierten Schuhe 4 und 5 im vorliegenden Fall durch die Ringe 8 umgebende Gummihülse 15 verbunden.
In diesem Falle wird wiederum die Bespülung des Drucklagers durch die Druckverminderung zwischen den stromabwärtigen und stromaufwärtigen Bereichen einer Stufe, die sich aus der stufenlosen Querschnittsverminderung der Kanäle 9 ergibt, begünstigt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Axialdrucklager, insbesondere für Bohrturbinen, bei welchen jeweils die Umlaufflüssigkeit in Höhe der aus einer mit elastischen Schuhen versehenen Lagerscheibe und einer glatten Abnutzscheibe bestehenden Drucklagerstufen einen oder mehrere durch eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Statorund Rotorkanälen gebildete Zulaufkanäle durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der Stator- undloder Rotorkanäle der Drucklager jeweils in Höhe einer Stufe verändert.