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Durch Spülflüssigkeit betriebene Bohrturbine für Tiefbohrgeräte
Bei Tiefbohrgeräten werden Bohrturbinen verwendet, welche durch die Spülflüssigkeit betrieben werden. In dem an das Bohrgestänge angeschlossenen Turbinengehäuse ist ein mit den entsprechenden Turbinenschaufeln ausgebildeter Rotor gelagert, an dessen unterem Ende der Bohrmeissel angeschlossen ist. Die Spülflüssigkeit tritt in axialer Richtung durch diese Bohrturbine hindurch und wird dem Meissel zugeführt.
In dieser Bohrturbine ist der Rotor sowohl radial als auch axial gelagert, wobei die Lagerung in der Strömungsrichtung der Spül- flüssigkeit vor den Turbinenschaufeln vorgesehen ist. Die Lagerkörper bestehen bei diesen bekannten Ausbildungen meist aus Kunststoff oder Gummi. Es ist nicht zu vermeiden, 'dans die Spülflüssigkeit Sand mit sich führt und dieser Sand hat bei den bekannten Bohrturbinen einen schnelleren Verschleiss der Lager zur Folge.
Die Auswechslung der Lager bereitet beträchtliche Betriebsstörungen, da ja zu diesem Zweck ein meist über 1000 Meter langes Bohrgestänge aus dem Bohrloch herausgezogen werden muss.
Die Erfindung bezieht sich auf eine solche durch die Spülflüssigkeit betriebene Bohrturbine, welche in der Strömungsrichtung der Spülflüssigkeit vor den Turbinenschaufeln eine Lagerung für den Rotor aufweist, an welcher die Spülflüssigkeit durch in radialem Abstand von der Rotationsachse angeordnete Durchtrittsöffnungen vorbeigeführt wird, und zielt darauf ab, den Verschleiss der Lagerung herabzusetzen. Die Erfindung besteht hiebei im wesentlichen darin, dass vor der Lagerung am Rotor und/oder am Stator die Spülflüssigkeit im Drehsinn des Rotors ablenkende Leitflächen vorgesehen sind. Dadurch, dass die Spülflüssigkeit bevor sie zu der Lagerung gelangt, im Drehsinn des Rotors abgelenkt, d. h. also in Rotation versetzt wird, ergibt sich der Effekt, dass die in der Spülflüssigkeit (enthalte- nen Festkörper bzw.
Sandkörner durch die Zentrifugalkraft nach aussen gedrückt werden.
Es werden auf diese Art Fremdkörper in der Spülflüssigkeit in der äusseren Ringzone ange- reichert, so dass in den der Rotationsachse näher gelegenen Zonen die Spülflüssigkeit zumindest teilweise von solchen Fremdkörpern befreit wird. Bei entsprechender Rotationsge- schwindigkeit der Spülflüssigkeit werden sozusagen die Festkörper aus der Spülflüssigkeit auszentrifugiert und die Verunreinigungen beschränken sich dann überhaupt auf die äussere Ringzone. Da bei einer solchen Bohrturbine die Durchtrittsöffnungen für die Spülflüssig- keit in grösserem radialen Abstand von der Rotationsachse angeordnet sind als die Lagerung, so werden auf diese Weise die den Verschleiss verursachenden Sandkörner von der Lagerung ferngehalten und treten durch die Durchtrittsöffnungen durch, ohne die Lagerung zu schädigen.
Gemäss der Erfindung können die Leitflächen des Rotors von an der vorzugsweise-stromlinienförmig ausgebildeten Endverschraubung der Rotorwelle angeordneten Ablenkschaufeln gebildet sein, während die Ablenkflächen des Stators von in das Gehäuse der Bohrturbine oder in den Bohrgestängeanschluss eingesetzten, im Drehsinn des Rotors gekrümmten Ablenkflügeln gebildet sein können.
Die Drehzahl der Bohrturbine ist von der Stellung der Turbinenschaufeln abhängig. Der volle Wirkungsgrad wird aber nur bei einer bestimmten Schaufelstellung erreicht, so dass die Drehzahl der Bohrturbine in gewissen Grenzen festliegt. Wenn am Rotor Ablenkschaufeln angeordnet sind, welche die Spülflüssigkeit vor Eintritt in den Bereich der Lagerung in Rotation versetzen, so wird hiedurch der Rotor mit dem Meissel gebremst.
Dies wirkt sich vorteilhaft aus, da eine kleinere Drehzahl eine bessere Wirkung des Meissels ergibt. Die Anordnung von Ablenk- flügeln am Stator bewirkt keine Bremsung des Rotors. Es können sowohl am Stator als auch am Rotor oder nur am Stator oder nur ! am Rotor Ablenkflügel bzw. Ablenkschaufeln angelenkt sein.
Bei den bekannten Bohrturbinen wird die Lagerung von einer Anzahl hintereinander angeordneter Lagerringe gebildet, welche von im Turbinengehäuse festgelegten, mit Durch-
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trittsöffnungen versehenen Scheiben getragen werden. Bei einer solchen Ausbildung sind gemäss der Erfindung die Durchtrittsöffnungen in den hintereinander angeordneten Scheiben in der Rotationsrichtung gegeneinander versetzt, so dass die Rotation der Spülflüssigkeit im Bereich der Lagerung nicht gehemmt wird. Durch die Versetzung der Durchtrittsöffnungen wird sogar die Rotation begünstigt und aufrechterhalten. Zweckmässig kann die Anordnung so getroffen sein, dass die Durchtritts- öffnungen in den hintereinander angeordneten Scheiben um etwa 2/3 des mittleren Axialabstandes dieser Scheiben voneinander im Bogen gegeneinander versetzt sind.
In der Zeichnung ist die Erfindung, anhand von Ausführungsbeispielen schematisch erläutert. Fig. 1 zeigt den oberen Teil einer, Bohr- turbine mit am Rotor angeordneten Ablenkschaufeln. Fig. 2 stellt einen Schnitt nach Linie lI-Il der Fig. 1 dar, Fig. 3 stellt einen Querschnitt nach Linie 777-777 der Fig.
1 dar, Fig. 4 stellt eine Abwicklung des Tan !- gentialschnittes nach Linie IN-IN der Fig.
3 dar. Fig. 5 stellt eine Anordnung dar, bei welcher Ablenkflügel am Stator angeordnet sind. Fig. 6 zeigt einen Schnitt nach Linie VI-VI der Fig. 5.
An das Bohrgestänge 1 ist unter Zwischenschaltung eines Bohrgestängeanschlusses 2 das Bohrturbinengehäuse 3 angeschlossen. Im Bohrturbinengehäuse ist der Rotor 4 drehbar gelagert, dessen unteres, nicht dargestelltes Ende den Meissel trägt. Am Rotor sind die an Ringen 5 angeordneten Turbinenschaufeln 6 festgespannt und durch einen Keil 7 gegen Verdrehung gesichert. Im Bohrturbinengehäuse 3 sind Ringe 8 mit den zwischen den Turbinenschaufeln 6 angeordneten Leitschaufeln 9 festgespannt. Die die Turbinenschaufeln 6 beaufschlagende Spülflüssigkeit wird durch das Bohrgestänge 1 in der Richtung des Pfeiles 10 der Bohrturbine unter Druck zugeführt. In der Strömungsrichtung 10 der Spülflüssigkeit ist vor den Turbinenschaufeln 6 eine, Lagerung 20 für den Rotor vorgesehen.
Diese Lagerung 20 besteht aus hintereinander im Turbinengehäuse angeordneten Scheiben 11, welche aus Gummi oder Kunststoff bestehende Lagerringe 12 tragen, die ihrerseits mit unter Zwischenschaltung von Distanzringen 13 am Rotor 4 festgespannten Lagerscheiben 14 zusammenwirken. Die Spurlagerung in axialer Richtung ist durch das Zusammenwirken der Lagerringe 12 mit den Lagerscheiben 14 bewerkstelligt, während die Radiallagerung durch die mit den Distanzringen 13 zusammenwirkenden Innenflächen der Lagerringe 12 gebildet wird.
Die Lagerringe 12 weisen radiale Nuten 15 und axiale Nuten 16 auf, durch welche eine
Flüssigkeitsschmierung unter Vermittlung der Spülflüssigkeit ermöglicht wird. Durch eine Mutter 17 und eine als Gegenmutter wirkende Verschraubung 18 sind die auf dem Rotor 4 aufgereihten Ringe, d. h. die Lagerscheiben 14, die Distanzringe 13 und die Turbinenschaufelringe 5, zusammengespannt.
Bei den bekannten Bohrturbinen dieser Bauart tritt der Nachteil auf, dass der Sand, welchen die Spülflüssigkeit unvermeidlich mit sich führt, die aus Gummi bzw. Kunststoff bestehenden Lagerringe 12 sowie auch die mit ihnen zusammenwirkenden Lagerscheiben 14 und Distanzringe 13 bereits nach kurzer Betriebsdauer zerstört, da ja die Spülflüssigkeit durch die für die Flüssigkeitsschmierung erforderlichen Nuten 15 und 16 zwischen die Lagerlaufflächen gelangt.
Bei der Ausbildung der Bohrturbine nach Pig. l sind an der Verschraubung 18, welche stromlinienförmig ausgebildet ist, Ablenkschaufeln 19 vorgesehen, welche die Spülflüssigkeit vor dem Eintritt in den Bereich der Lagerung 20 in der durch den Pfeil 21 angedeuteten Drehrichtung des Rotors 4 in Rotation versetzen. Auf diese Weise werden unter der Wirkung der Fliehkraft die in der Spülflüssigkeit enthaltenen Festkörper auszentrifugiert und gelangen in die äussere Zone der Flüssigkeitsströmung. In dieser äusseren Zone sind Durchtrittsöffnungen 22, 22', 22"usf. in den die Lagerringe 12 tragenden Scheiben 11 vorgesehen, durch welche die Spülflüssigkeit strömt.
Die innere Zone der im Bereich der Lagerung 20 strömenden Spülflüssigkeit wird weitgehend von Festkörpern befreit, so dass in die für die Flüssigkeitsschmierung dienenden Nuten 15, 16 Spülflüssigkeit eintritt, welche praktisch keine Verunreinigungen durch Sand aufweist. Auf diese Weise wird die Lebensdauer der Lagerung weitgehend erhöht.
Um die Rotationsbewegung der Spülflüssigkeit im Bereich der Lagerung 20 nicht zu hemmen, sondern zu begünstigen, sind die Durchtrittsöffnungen 22,22', 22"us., in den hintereinander angeordneten Scheiben 11 in der Rotationsrichtung gegeneinander versetzt. Dies ist aus der Abwicklung nach Fig. 4 deutlich zu ersehen. Wie Fig. 4 zeigt, sind die Durchtrittsöffnungen 22,22', 22"usf. in den hintereinander angeordneten Scheiben 11 um etwa 2/3 des Axialabstandes a dieser Scheiben 11 voneinander im Bogen gegeneinander versetzt.
Die Grösse dieser Versetzung ist mit b bezeichnet.
Die Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher am Stator, d. h. im Bohrgestängeanschluss 2, ortsfeste Ablenkflügel 23 vorgesehen sind, welche der Spülflüssigkeit vor dem Eintritt in die Lagerung 20 die erforderliche Rotationskomponente erteilen. Bei dieser Aus- führungsform ist ein Stromlinienkörper 24 ortsfest in dem Bohrgestängeanschluss 2 ein- gesetzt und es ist daher die Verschraubung
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18'von einer gewöhnlichen, nicht stromlinienförmigen Gegenmutter gebildet. Die Ablenkflügel sind hiebei an im Bohrgestängeanschluss 2 eingesetzten Ringen 25 angeordnet und bilden Stege, welche den Stromlinienkörper 24 tragen. Im übrigen ist die Anordnung der Lagerung 20 mit den gegeneinander versetzten Durchtrittsöffnungen 22,22', 22"usf. die gleiche wie in Fig. 1 dargestellt.
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Drilling turbine operated by flushing fluid for deep drilling rigs
In deep drilling rigs, drilling turbines are used, which are operated by the flushing fluid. In the turbine housing connected to the drill rod, a rotor designed with the corresponding turbine blades is mounted, to the lower end of which the drill bit is connected. The flushing fluid passes through this drilling turbine in the axial direction and is fed to the chisel.
In this drilling turbine, the rotor is mounted both radially and axially, the mounting being provided in front of the turbine blades in the direction of flow of the flushing liquid. In these known designs, the bearing bodies are usually made of plastic or rubber. It cannot be avoided because the flushing fluid carries sand with it and this sand results in faster wear of the bearings in the known drilling turbines.
Replacing the bearings causes considerable operational disruptions, since for this purpose a drill rod, usually over 1000 meters long, has to be pulled out of the borehole.
The invention relates to such a drilling turbine operated by the flushing liquid, which has a bearing for the rotor in the direction of flow of the flushing liquid in front of the turbine blades, on which the flushing liquid is guided past through passage openings arranged at a radial distance from the axis of rotation, and aims to reduce the wear and tear of the bearing. The invention consists essentially in the fact that guide surfaces which deflect the flushing liquid in the direction of rotation of the rotor are provided prior to mounting on the rotor and / or on the stator. Because the rinsing liquid is deflected in the direction of rotation of the rotor before it reaches the bearing, i. H. is set in rotation, the effect is that the solids or
Grains of sand are pushed outwards by centrifugal force.
In this way, foreign bodies are enriched in the rinsing liquid in the outer ring zone, so that the rinsing liquid is at least partially freed from such foreign bodies in the zones closer to the axis of rotation. At a corresponding speed of rotation of the rinsing liquid, the solids are, so to speak, centrifuged out of the rinsing liquid and the impurities are then limited to the outer ring zone. Since in such a drilling turbine the openings for the flushing liquid are arranged at a greater radial distance from the axis of rotation than the bearing, the grains of sand causing wear are kept away from the bearing and pass through the openings without the bearing becoming blocked damage.
According to the invention, the guide surfaces of the rotor can be formed by deflecting blades arranged on the preferably streamlined end screw connection of the rotor shaft, while the deflecting surfaces of the stator can be formed by deflecting vanes which are inserted into the housing of the drilling turbine or into the drill pipe connection and curved in the direction of rotation of the rotor.
The speed of the drilling turbine depends on the position of the turbine blades. However, full efficiency is only achieved with a certain blade position, so that the speed of the drilling turbine is fixed within certain limits. If deflection blades are arranged on the rotor, which set the flushing liquid in rotation before it enters the area of the bearing, the rotor with the chisel is braked as a result.
This has an advantageous effect, since a lower speed results in a better effect of the chisel. The arrangement of deflecting vanes on the stator does not brake the rotor. It can be done both on the stator and on the rotor or only on the stator or only! be hinged on the rotor deflector vanes or deflector blades.
In the known drilling turbines, the bearing is formed by a number of bearing rings arranged one behind the other, which are fixed in the turbine housing with through-
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disks provided with access openings. With such a design, according to the invention, the passage openings in the panes arranged one behind the other are offset from one another in the direction of rotation, so that the rotation of the rinsing liquid is not inhibited in the area of the bearing. By offsetting the passage openings even the rotation is promoted and maintained. The arrangement can expediently be made such that the passage openings in the disks arranged one behind the other are offset from one another in an arc by approximately 2/3 of the mean axial distance between these disks.
In the drawing, the invention is explained schematically on the basis of exemplary embodiments. 1 shows the upper part of a drilling turbine with deflector blades arranged on the rotor. FIG. 2 shows a section along line II-II of FIG. 1, FIG. 3 shows a cross section along line 777-777 of FIG.
1, Fig. 4 shows a development of the Tan! - gentialschnittes along line IN-IN of Fig.
3 illustrates. FIG. 5 illustrates an arrangement in which deflector vanes are arranged on the stator. FIG. 6 shows a section along line VI-VI of FIG. 5.
The drilling turbine housing 3 is connected to the drill rod 1 with the interposition of a drill rod connection 2. The rotor 4 is rotatably mounted in the drilling turbine housing, the lower end of which, not shown, carries the chisel. The turbine blades 6 arranged on rings 5 are clamped to the rotor and secured against rotation by a wedge 7. In the drilling turbine housing 3, rings 8 with the guide vanes 9 arranged between the turbine blades 6 are clamped. The flushing fluid acting on the turbine blades 6 is fed under pressure through the drill rod 1 in the direction of the arrow 10 to the drilling turbine. In the direction of flow 10 of the flushing liquid, a bearing 20 for the rotor is provided in front of the turbine blades 6.
This bearing 20 consists of disks 11 arranged one behind the other in the turbine housing, which carry bearing rings 12 made of rubber or plastic, which in turn interact with bearing disks 14 clamped to the rotor 4 with the interposition of spacer rings 13. The track bearing in the axial direction is brought about by the interaction of the bearing rings 12 with the bearing washers 14, while the radial bearing is formed by the inner surfaces of the bearing rings 12 cooperating with the spacer rings 13.
The bearing rings 12 have radial grooves 15 and axial grooves 16 through which a
Liquid lubrication is made possible by mediating the flushing liquid. The rings lined up on the rotor 4 are secured by a nut 17 and a screw connection 18 acting as a counter nut. H. the bearing washers 14, the spacer rings 13 and the turbine blade rings 5, clamped together.
In the known drilling turbines of this type, the disadvantage arises that the sand, which the flushing liquid inevitably carries with it, destroys the rubber or plastic bearing rings 12 as well as the bearing washers 14 and spacer rings 13 that interact with them after a short period of operation yes, the flushing liquid passes through the grooves 15 and 16 required for liquid lubrication between the bearing surfaces.
In the training of the drilling turbine according to Pig. l, deflection blades 19 are provided on the screw connection 18, which is designed in a streamlined manner, which set the flushing liquid in rotation in the direction of rotation of the rotor 4 indicated by the arrow 21 before it enters the area of the bearing 20. In this way, under the effect of centrifugal force, the solids contained in the rinsing liquid are centrifuged out and get into the outer zone of the liquid flow. In this outer zone, passage openings 22, 22 ', 22 ", etc. are provided in the disks 11 carrying the bearing rings 12, through which the flushing liquid flows.
The inner zone of the flushing liquid flowing in the area of the bearing 20 is largely freed from solids, so that flushing liquid, which has practically no contamination from sand, enters the grooves 15, 16 used for liquid lubrication. In this way, the service life of the storage is largely increased.
In order not to inhibit the rotational movement of the rinsing liquid in the area of the bearing 20, but to promote it, the passage openings 22, 22 ', 22 ", etc., in the disks 11 arranged one behind the other are offset from one another in the direction of rotation 4 can be clearly seen. As FIG. 4 shows, the through openings 22, 22 ', 22 ", etc. in the disks 11 arranged one behind the other, offset from one another in an arc by about 2/3 of the axial distance a of these disks 11.
The size of this displacement is denoted by b.
Fig. 5 shows an embodiment in which the stator, i. H. Fixed deflecting vanes 23 are provided in the drill pipe connection 2, which give the flushing liquid the required rotational component before it enters the bearing 20. In this embodiment, a streamlined body 24 is fixedly inserted in the drill pipe connection 2 and it is therefore the screw connection
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18 'formed by an ordinary, non-streamlined lock nut. The deflecting vanes are arranged on rings 25 inserted in the drill pipe connection 2 and form webs which carry the streamlined body 24. Otherwise, the arrangement of the bearing 20 with the passage openings 22, 22 ', 22 ", etc., offset from one another, is the same as shown in FIG.