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Hydraulische Turbine für Drehbohrantriebe in Tiefbohrlöchern und Verfahren zu ihrem Betrieb
Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Turbine für Drehbohrantriebe in Tiefbohrlöchem.
Bei derartigen Bohrantrieben ist ein drehbarer Bohrer oder Meissel sowie eine hydraulische Turbine vorge- sehen, die sich während des Betriebes in nächster Nähe des Bohrmeissels am Boden der niederzubringenden
Bohrung befindet und mit dem Bohrmeissel verbunden ist, um ihn anzutreiben. Die Turbine wird durch einen unter Druck zugeführten Flüssigkeitsstrom betätigt.
Zu diesem Zweck kann man mit einer Spül- schlammumwälzung arbeiten, wie man sie bei den gebräuchlichen Bohrverfahren anwendet ; auch bei Turbinenbohrsystemen kann man mit dieser Spfilschlammumwälzung arbeiten ; hiebei ist die Turbine mit dem unteren Ende des Bohrgestänges verbunden, und der Splilschlamm strömt durch das Bohrgestänge hin- durch nach unten, durchströmt die Turbine und den Bohrer, woraufhin er durch in dem Bohrer vorgesehene Öffnungen in das Bohrloch hinein austritt, um ausserhalb des Bohrgestänges wieder zur Erdoberfläche zu- rückzuströmen.
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Turbine, die mit einem äusseren und einem inneren Schau- felsystem sowie einem beide Schaufelsysteme einschliessenden Gehäuse versehen ist. Sie hat eine Turbine zum Ziel, die mit einer höheren Drehzahl als der Bohrer arbeiten kann. Gegenwärtig kann man nämlich Bohrerdrehzahlen, die erheblich über 500 Umdr/min liegen, nicht zulassen, wenn man eine ausreichende Lebensdauer des Bohrers erzielen will ; ausserdem ergeben sich wesentliche Vorteile, wie z. B. eine erhebliche Herabsetzung der benötigten Zahl von Turbinenstufen, wenn man für die Turbine eine höhere Drehzahl von etwa 5000 bis 10000 Umdr/min vorsieht und den Bohrmeissel über ein Untersetzungsgetriebe antreibt.
Es sind bereits verschiedene Tiefbohrsysteme mit einem Untersetzungsgetriebe vorgeschlagen worden, wobei das Untersetzungsgetriebe zwischen dem inneren Schaufelsystem und dem Bohrer angeordnet ist. Bei Turbinen mit wenig Stufen soll dann das Untersetzungsgetriebe eine starke Herabsetzung der Drehzahl bewirken. Wird aber ein Untersetzungsgetriebe benutzt, welches nur eine kleine Herabsetzung der Drehzahl bewirkt, dann ist dieses Getriebe mit einer vielstufigen Turbine zu kombinieren. In diesen Fällen ist also entweder eine schwere und komplizierte Turbine, oder ein schweres und kompliziertes Untersetzungsgetriebe zu benutzen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, für ein Tiefbohrsystem eine Turbine mit verhältnismässig gedrängtem und robustem Aufbau zu schaffen, um die erfindungsgemässe Turbine mit einem Bohrgestänge und einem drehbaren Bohrmeissel verbunden zu verwenden. Diese Aufgaben werden erfindunggemäss im wesentlichen dadurch gelöst, dass die beiden Schaufelsysteme und das Gehäuse relativ gegeneinander drehbar und durch ein Untersetzungsgetriebe miteinander gekuppelt sind.
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mit einem Bohrgestänge verbunden,keit eintritt, angeordnet.
Da das äussere Schaufelsysiem gegenüber dem Gehäuse drehbar Ist, läuft es infolge der Reaktionskräfte In einer zur Drehrichtung des Inneren Schaufelsystems entgegengesetzten Drehrichtung um, und es wird ausserdem durch das innere Schaufelsystem über das Untersetzungsgetriebe angetrieben.
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Bei dieser Ausbildung der Turbine ergeben sich erhebliche Vorteile. Ein Vorteil der erfindungsge- mässen Anordnung besteht darin, dass die Leistungsbelastung des Untersetzungsgetriebes sich um den Leistungsanteil vermindert, der unmittelbar durch die auf das äussere Schaufelsystem aufgebrachte Drehmomentreaktion erzeugt wird. Femer ist es bei sämtlichen Bohrsystemen erforderlich, auf denBohrmeissel eine axiale Druckkraft zu übertragen ; diese Druck- oder Schubkraft bezeichnet man allgemein als Bohrdruck. Üblicherweise muss diese Schubkraft, abgesehen von resultierenden hydraulischen Kräften, die am Bohrer angreifen können (z.
B. infolge des Druckabfalls längs der DüsenÏffnungen), durch ein Hauptdrucklager übertragen werden, das am Turbinengehäuse angebracht ist und die Bohrerwelle trägt. Benutzt man dagegen die erwähnte erfindungsgemässe Anordnung, so benötigt man zwar immer noch ein ähnliches Drucklager, doch ermässigt sich die durch dieses Lager zu übertragende Schubkraft um den auf hydrauli-
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sächlich infolge der Tatsache, dass die Turbine selbst als Kolben wirkt, auf dem ein Druck lastet, der dem Druckabfall in der Turbine entspricht. Dieser Druck wirkt sowohl auf das innere als auch auf das äussere Schaufelsystem und die hydraulische Schubkraftubertragung steigert sich daher, wenn der Schub
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dass sich die Länge des Aggregats nicht um die Länge des Drucklagers vergrössert.
Auf diese Weise erhält man ein Aggregat von bedeutend kürzerer Baulänge ; diese Tatsache stellt einen wichtigen Faktor vom Standpunkt der leichten Herstellung und Bedienung dar. Ausserdem kann man das Aggregat so konstru-
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während des Betriebes eintreten können, wenn der Meissel z. B. mit der Oberfläche einer geneigten harten Formation in Berührung kommt, vermieden werden.
In dem Patent Nr. 194807 wird das bei Turbinenbohrsystemen auftretende Steuer- bzw. Regeiproblem erläutert, aus dem sich die Notwendigkeit ergibt, innerhalb eines begrenzten Turbinendrehzahlbereiches einen möglichst grossen Bereich für Änderungen des Verhältnisses zwischen dem Bohrerdrehmoment und dem Bohrdruck vorzunehmen, wenn man nicht Gefahr laufen will, dass die Turbine in weichen Formationen zum Stillstand kommt bzw. in harten Formationen durchgeht. Wenn man den Bohrdmck z. B. mit der Hand oder automatisch mit Hilfe der in dem erwähnten Patent beschriebenen Stösseleinrichtung ändert,
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me der Turbinendrehzahl mit einer relativ erheblichen Abnahme des Turbinendrehmomentes verbunden ist.
Gemäss einem Merkmal der Erfindung ist die Beschaufelung der Turbine als Reaktionsbeschaufelung ausgebildet. Die Turbine umfasst vorzugsweise vier bis acht mit einer derartigen Beschaufelung versehene Stufen. Um einen Drehmomentverlust bei niedrigen Drehzahlen infolge des Abreissens der Strömung zu verhindern, kann man verschiedene Massnahmen ergreifen :
1.
Man macht die Schaufelteilung kleiner als sie für die Erzielung des optimalen Wirkungsgrades bei der konstruktiv vorgesehenen Drehzahl erforderlich : wäre ;
2. man arbeitet mit einer hohen Axialgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes, die während des Betriebes mit der konstruktiv vorgesehenen Drehzahl im Bereich des 0, 6-0, 9-fachen der Rel3, t1vgeschwin- digkeit des inneren Schaufelsystems gegenüber dem äusseren Schaufelsystem, gemessen am mittleren
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;3. man legt die Schaufelprofile für Geschwindigkeitsvektordiagramme aus, die unter Zugrundelegung der halben konstruktiv vorgesehenen Drehzahl konstruiert sind.
Die vorstehend an dritter'Stelle erwähnte Massnahme trägt ausserdem zu einem schnellen Absinken
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Drehmoments oberhalbbeeinträchtigen diese Massnahmen den Wirkungsgrad der Turbine bei der konstruktiv vorgesehenen Drehzahl, doch wird angenommen, dass sich diese Einbusse lohnt, wenn man hiedurch eine günstige Drehmo- ment/Drehzahl-Charakteristik erhält. Es wird angenommen, dass die nachstehend an Hand der Zeichnungen beschriebene siebenstufige Reaktionsturbine eine derartige Charakteristik besitzt, dass sie sich in einem Tarbinenbohrsystem unter den meisten Bedingungen betreiben lässt, ohne dass es erforderlich ist, den Bohrdruck z.B. mittels einer Stösseleinrichtung mit der Hand oder automatisch zu ändern.
Das Untersetzungsgetriebe ist vorzugsweise als Planetenraduntersetzungsgetrlebe ausgebildet und kann
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einziges Gehäuse eingeschlossen, das während des Betriebes mit Schmierstoff gefüllt ist, und das einen biegsamen Balg oder eine Rohrmembran od. dgl. umfasst, durch die Strömungsmitteldrücke innerhalb und ausserhalb des Gehäuses im wesentlichen ausgeglichen werden, so dass das Eindringen von Spülschlamm durch die Lagerabdichtungen des Gehäuses während des Betriebes verhindert oder möglichst weitgehend unmöglich gemacht wird.
Um eine ausreichende Kühlung des Untersetzungsgetriebes zu gewährleisten, kann dieses mit einem Wärmeaustauscher versehen sein, über welchen die im Untersetzungsgetriebe erzeugte Wärme auf das, die Turbine während des Betriebes durchströmende Strömungsmittel übertragen werden kann. Wenn das Getriebe Zahnräder aufweist, kann die Anordnung in der Weise getroffen werden, dass das Schmiermittel für das Getriebe während des Betriebes mit Hilfe der Zahnräder durch den Wärmeaustauscher hindurchgepumpt wird, um das Schmiermittel durch Kontakt mit dem Strömungsmittel zu kühlen, bevor es wieder zu dem Getriebe zurückgeleitet wird.
Die einzelnen Bestandteile bzw. Baugruppen des Turbinenaggregats können zweckmässigerweise jeweils gesonderte Unteraggregate bilden, wobei der Aufbau des Aggregats so vorgesehen ist, dass sich die Unteraggregate mit wenigen Handgriffen zusammenbauen oder voneinander trennen lassen. Hiedurch lassen sich Betriebsunterbrechungen für Wartungszwecke auf ein Mindestmass verkürzen, weil man jedes dieser Unter- bzw. Teilaggregate schnell gegen ein Ersatzaggregat austauschen kann, während das ausgebaute Teilaggregat untersucht und/oder instandgesetzt wird. Dies gilt vor allem für das Untersetzungsgetriebe, doch ist bei einem weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung die Turbine selbst als Teilaggregat ausgebildet und lässt sich ohne Schwierigkeit aus dem das äussere Gehäuse, die Bohrerwelle und die zugehörigen Lager umfassenden Hauptaggregat herausziehen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert, Fig. 1 stellt einen schematisch gezeichneten Längsschnitt dar, welcher die allgemeine Anordnung der Teile des erfindungsgemässen Aggregats zeigt und deren Zusammenwirken während des Betriebes erkennen lässt. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch das Untersetzungsgetriebe, Fig. 3 einen Längsschnitt durch die eigentliche Turbine. Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung der zusammengebauten Schaufelkränze für das äussere Schaufelsystem der Turbine. Fig. 5 bzw. 6 zeigt das Profil einer Schaufel des inneren bzw. äusseren Schaufelsystems.
Fig. 7, die sich aus den Teildarstellungen 7A und 7B zusammensetzt, zeigt Im Längsschnitt ein Teilaggregat, welches das äussere Gehäuse des Turbinenaggregats, die Bohrerwelle und die zugehörigen Lager umfasst. Fig. 8 zeigt in Umrisslinien die einzelnen Teilaggregate des gesamten Turbinenaggregats, die in den Fig. 2,3 und 7 dargestellt sind, nach dem Zusammenbau. Fig. 9 zeigt im Längsschnitt den allgemeinen Aufbau einer weiteren Ausbildungsform des Untersetzungsgetriebes.
Die schematische Darstellung in Fig. l lässt lediglich die allgemeine Anordnung der Turbine erkennen, die während des Betriebes in einem senkrechten Bohrloch angeordnet ist. Die allgemein mit 1 bezeichnete eigentliche Turbine umfasst ein inneres Schaufelsystem 2 und ein diesem zugeordnetes äusseres Schaufelsystem 3. Das innere Schaufelsystem 2 ist auf einer Welle 4 angeordnet, wogegen das äussere Schaufelsystem 3 mit der Innenseite einer Bohrerwelle 5 verkeilt ist. Die Welle 4 und die Bohrerwelle 5 sind durch ein zweistufiges Planetenraduntersetzungsgetriebe 6, dessen Gehäuse in ein äusseres Gehäuse 7 eingebaut ist. miteinander verbunden.
An seinem oberen Ende ist das Gehäuse 7 mit einem Innengewinde 8 versehen, um die Turbine mit dem unteren Ende eines hier nicht dargestellten Bohrgestänges verbinden zu können ; das untere Ende der Turbine weist ein Aussengewinde 9 zum Verbinden der Turbine mit einem Bohrer oder Meissel auf. (In der Zeichnung nicht dargestellt). Zum Antrieb der Turbine dient eine Bohrflüssigkeit, die durch das Bohrgestänge nach unten gepumpt wird und die Turbine in Richtung der gestrichelten Pfeile 10 durchströmt. In Fig. 1 sind die Einzelheiten verschiedener Dichtungen und anderer Bestandteile nicht dargestellt ; die Bohrflüssigkeit ist jedoch tatsächlich gezwungen in der eingezeichneten Bahn zu strömen.
Die die Turbine durchströmende Bohrflüssigkeit bewirkt eine Drehbewegung des inneren Schaufelsystems2und damit der Welle4 in Richtung des Pfeiles 11, wogegen das äussere Schaufelsystem 3 in der durch den Pfeil 12 angedeuteten entgegengesetzten Richtung umläuft. Da das äussere Schaufelsystem 3 mit der Innenseite der Bohrerwelle 5 verkeilt Ist, gibt der Pfeil 12 auch die Drehrichtung der Bohrerwelle an.
Die Welle 4 treibt ein Sonnenrad 13 der ersten Stufe des Untersetzungsgetriebes 6 an ; die Drehrich- tung des Sonnenrades ist ebenso wie diejenige der übrigen Bauteile des Untersetzungsgetriebes 6 in Fig. 1 jeweils durch in die betreffenden Bauteile eingezeichnete Pfeile angegeben. Die Planetenritzel 14 der ersten Getriebestufe sind in einem am Gehäuse 15 des Getriebes befestigten Käfig drehbar gelagert, und das Gehäuse 15 ist seinerseits mit dem Gehäuse 7 fest verbunden, so dass der Planetenritzelkäfig der ersten
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Stufe des Untersetzungsgetriebes gegenüber dem Gehäuse 7 feststeht. Infolgedessen wird das Innenzahnrad 16 der ersten Stufe in einer zur Drehrichtung des Sonnenrades 13 entgegengesetzten Drehrichtung angetrieben.
Das Innenzahnrad 16 ist mit dem Sonnenrad 17 der zweiten Stufe verbunden, deren Innenzahnrad 18 an dem Gehäuse 15 befestigt ist und somit gegenüber dem Gehäuse 7 feststeht. Der Planetenritzelkäfig 19 der zweiten Stufe des Getriebes 6 ist mit der Bohrerwelle 5 verbunden, so dass sich letztere in der gleichen Richtung dreht wie das Sonnenrad 17. Wenn Bohrflüssigkeit durch die Vorrichtung hindurchgepumpt wird, wird somit die Bohrerwelle 5 in Drehung versetzt, wobei das Drehmoment zum Teil unmittelbar von der Reaktion des Turbinendrehmomentes auf das äussere Schaufelsystem 3 stammt und zum Teil mittelbar über das Getriebe 6 von dem inneren Schaufelsystem 2 hergeleitet ist.
An der Bohrerwelle 5 ist ein das untere Ende der Welle 4 unterstützendes Drucklager 20 vorgesehen, das auf die Bohrerwelle 5 die nach unten gerichtete Schubkraft überträgt, welche auf die Welle 4 durch den auf das innere Schaufelsystem 2 und die Welle 4 wirkenden hydraulischen Druck ausgeübt wird.
Weitere Drucklager 21 und 22 sind zwischen der Bohrerwelle 5 und dem Gehäuse 7 vorgesehen. Das Lager 21 überträgt die nach unten gerichtete Schubkraft vom Gehäuse 7 auf die Bohrerwelle 5 und somit auch auf den Bohrer. Während des Betriebes unter normalen Bohrbedingungen macht diese Schubkraft nicht den gesamten Bohrdruck aus, weil ein Teil des Bohrdruckes durch den auf die Turbine 1 und die BohreI'l'1elle 5 wirkenden hydraulischen Druck auf die Bohrenwelle 5 aufgebracht wird. Unter Bohrbedin- gungenkann die auf dem Lager 21 ruhende Last einen verhältnismässig kleinen Teil des Bohrdruckes ausmachen, der beispielsweise unter den weiter unten für diese besondere Turbine angegebenen Konstruktionsbedingungen etwa ein Drittel des gesamten Bohrdruckes und unter bestimmten Umständen noch erheblich weniger ausmacht.
Das Lager 22 ist vorgesehen, um die Lage der Bohrerwelle 5 gegenüber dem Gehäuse vollständig zu bestimmen, und es dient dazu, eine nach oben gerichtete Zugkraft von dem Gehäuse 7 auf die Bohrerwelle 5 zu übertragen, wie es z. B. erforderlich ist, wenn der Bohrer nicht mit dem Boden eines Bohrloches in Berührung steht, oder wenn das Bohrgestänge nach oben gezogen wird, um den Bohrmeissel zu lockern, der steckengeblieben ist.
Ein Vorteil des Aufbaues der Turbine nach Fig. 1 besteht darin, dass nur ein Teil der erzeugten Leistung über das Untersetzungsgetriebe auf den Bohrer übertragen wird, weil das äussere Schaufelsystem 3
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tion auf das äussere Schaufelsystem 3 erzeugt wird. Tatsächlich beträgt die bei der beschriebenen Turbine durch das Untersetzungsgetriebe 6 übertragene Leistung etwa 90% der Gesamtleistung ; dieser Prozentsatz kann in manchen Fällen sogar noch niedriger liegen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Drucklager 21 und 22 um die Turbinenbeschaufelung herum angeordnet sind und daher nicht die Länge der Turbine vergrössern ; die Turbine besitzt daher eine erheblich geringere Länge als eine ähnli- che Turbine, bei welcher das äussere Schaufelsystem stillsteht und das innere Schaufelsystem 2 den Bobnneissel über ein zwischen dem inneren Schaufelsystem und dem Bohrmeissel angeordnetes Untersetzungsgetriebe antreibt. IndiesemFalle muss man nämlich das Drucklager unterhalb des Getriebes anordnen, wodurch sich die Länge der Turbine vergrössert.
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einen unmittelbaren Antrieb vom Läufer zum Bohrmeissel aufweist.
Weiterhin ist es bei der erfindunggemässen Vorrichtung möglich, das Getriebe 6 als Teilaggregat auszubilden, das man leicht als Ganzes aus-und einbauen kann. Die Wellen für An-und Abtriebe liegen gleichachsig am gleichen Ende des Gehäuses 15. Das Ende des Gehäuses ist abgedichtet und umschliesst eine Druckausgleichseinlichtung, die reichlich bemessen ist, um den Druck des Schmierstoffe innerhalb des Getriebes Im wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem Druck der Bohrflüssigkeit an der Aussenseite zu halten, wodurch ein Eindringen von Bohrflüssigkeit in das Getriebe 6 verhindert wird.
Diebeschriebene Turbine istso konstruiert, dass sie bei einer Bohrmeisseldrehzahl von 500 Umdr/min und bei einem Wasserdurchsatz von etwa 2,3 m/min eine Leistung von rund 100 PS entwickelt und mit
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zelheiten der Konstruktion, wobei in den Fig. 2, 3 und 7 drei Teilaggregate der Turbine, die sich zu einem Gesamtaggregat zusammenbauen lassen, dargestelltsind. Der Aussendurchmesser des nachstehend beschriebenen Aggregats beträgt etwa 19,7 cm, während die Länge zwischen den Schultern etwa 120 cm beträgt. Es sei jedoch bemerkt, dass diese Konstruktionsdaten mehr oder weniger willkürlich gewählt sind, und dass man die Einzelheiten der Konstruktion entsprechend variieren muss, um sie gegebenen Bedingungen anzupassen.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass sich die Konstruktionsda- ten weitgehend nach der Qualität der verfügbaren Bohrmeissel richten. Da zu erwarten ist, dass die Güte der Bohrer ständig verbessert wird, um beispielsweise höhere Bohrerdrehzahlen zuzulassen, könnte es er-
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forderlich werden, die Konstruktionsdaten erheblichen Änderungen zu unterziehen. Es könnte beispiels- weise erforderlich werden, nur ein einstufiges Untersetzungsgetriebe vorzusehen und/oder eine Turbine zu benutzen, die anders ausgebildet ist als die bei der hier beschriebenen Vorrichtung verwendete.
Obwohl die Turbine ziemlich verwickelt aufgebaut ist, lässt sie sich verhältnismässig einfach zusam- menbauen, denn das Getriebe 6 (Einzelheiten siehe Fig. 2), die Turbine 1 (Einzelheiten siehe Fig. 3) und das Teilaggregat 23 (Einzelheiten siehe Fig. 7), welches das Gehäuse 7, die Bohrerwelle 5 und die La- ger 21 und 22 umfasst, stellen jeweils geschlossene Baugruppen dar, so dass man das ganze Turbinenaggre- gat leicht in drei Abschnitte oder Teilaggregate zerlegen kann, um Wartungsarbeiten vorzunehmen oder
Teilaggregate auszutauschen.
Fig. 8 lässt in Umrisslinien die drei zusammengebauten Teilaggregate erkennen.
Beim Untersetzungsgetriebe 6, das in Fig. 2 in einem Axialschnitt in Einzelheiten dargestellt ist, handelt es sich um ein zweistufiges Planetengetriebe von im wesentlichen bekannter Ausführung, das eine Herabsetzung der Drehzahl im Verhältnis 10, 55 : 1 ermöglicht. Fig. 2 zeigt dieses Getriebe in der Stellung, die es einnimmt, wenn das Turbinenaggregat in einem senkrechten Bohrloch betrieben wird ; das Getriebe ist als selbständige Einheit ausgebildet, die sich zu Wartungs- und Austauschzwecken leicht in das Gehäuse 7 (Fig. 7) des Turbinenaggregats einbauen bzw. aus ihm ausbauen lässt. Das Getriebe 6 besitzt ein Gehäuse 15 mit acht Längsrippen 42 bzw. 43, die an der Aussenseite des Gehäuses in Abständen verteilt sind ; in Fig. 2 sind nur einige dieser Rippen sichtbar : ferner umfasst das Gehäuse einen gewölbten Deckel 40.
Die Rippen 42 und 43 tragen Vorsprünge 44 bzw. 45 und passen, entsprechend der an Hand von Fig. 7 und 8 gegebenen Beschreibung, in Keilnuten, die in das Gehäuse 7 des Turbinenaggregats eingeschnitten sind. Das Gehäuse 15 ist gegen radiale Bewegungen innerhalb des Gehäuses 7 nur in der Nähe seiner Enden durch die Vorsprünge 44 und 45 gesichert, so dass es keinen Biegungsmomenten ausgesetzt ist, die durch den Bohrmeissel infolge exzentrischer Belastung aufgebracht werdenkönnten. Zur Aufnahme von Drehmomenten ist das Gehäuse 15 jedoch über die gesamte Länge der Rippen 42 und 43 abgestützt.
Im gewölbten Deckel 40 sind einige Öffnungen 41 vorgesehen, um die als Antriebsmedium verwen- dete Bohrspülung in das Innere des Deckels in einen Raum gelangen zu lassen, welcher die Aussenseite eines Druckausgleichsbalges 46 aus Polytetrafluoräthylen umgibt, der-wie beschrieben-vorgesehen ist, um die Drücke des Strömungsmittels inner- und ausserhalb des die Zahnräder aufnehmenden Hohlraumes im wesentlichen auszugleichen und so das Eindringen von Bohrflussigkeit In das im Hohlraum vorhandene Schmiermittel möglichst weitgehend auszuschalten. In das obere Ende des Balges 46 Ist ein Entlüinmgs- ventil 47 eingebaut, durch das die Luft ausgelassen werden kann, wenn der die Zahnräder enthaltende Raum mit dem Schmiermittel gefüllt wird.
Die Basis des Balges bzw. der Rohrmembran 46 ist zwischen dem Flanschring 48 und dem Tragflansch 50 für den Balg eingespannt ; der Flanschring 48 ist mit dem Flansch 50 durch zwölf Schrauben 49 verbunden, von denen in Fig. 2 nur eine einzige sichtbar ist. Der Tragflansch 50 für den Balg wird im Gehäuse 15 durch vier Flanschstifte 51 festgehalten, von denen man in Fig. 2 nur einen erkennt. In eine Nut am Umfang des Flansches 50 ist ein Dichtungsring 52 von kreisrundem Querschnitt eingesetzt, um das Durchtreten von Flüssigkeit zwischen der Innenfläche des Gehäuses 15 und der Aussenfläche des Flansches 50 zu verhindern : das Zusammendrücken des Balges 46 durch die Bohrflüssigkeit steigert den Schmiermitteldruck innerhalb des das Getriebe enthaltenden Hohlraumes, so dass der Druckabfall längs des Dichtungsringes vemachlässigbar klein Ist.
In dem Flansch 50 ist eine normalerweise mittels eines Stopfens 53 verschlossene Öffnung vorgesehen, durch die man das Getriebegehäuse mit Schmierstoff füllen bzw. den Schmierstoffvorrat ergänzen kann. Der Stopfen 53 trägt einen Dichtungsring 54 von kreisrundem Querschnitt.
Eine Welle 55, bei der es sich um die Antriebswelle der ersten Stufe des Untersetzungsgetriebes 6 handelt, trägt auf ihrem oberen Ende ein Sonn. enrad 13, das durch einenRing 56 in seiner Lage gehalten wird. Das Sonnenrad 13 kämmt mit drei Planetenritzel 14, von denen in Fig. 2 nur eines zu erkennen ist ; diese Ritzel sind auf Bolzen 57 drehbar gelagert ; zwischen den Lagerbolzen 57 und den Ritzeln 14 sind Lagerbuchsen 58, die vorzugsweise aus Wolframkarbid bestehen, angeordnet. Die Ritzellagerbolzen 57 sind an einem Planetenritzelkäfig 59 befestigt, der seinerseits mit dem Gehäuse 15 verkeilt ist.
Halterin-
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Welle 55 konzentrisch umgibt ; innerhalb des Bauteiles 61 sind Lagerbuchsen 62 und 63 vorgesehen, um ein Fressen für den Fall zu verhüten, dass infolge einer Abnutzung der Zahnräder eine Berührung mit der Welle 55 eintritt. Das Sonnenrad 17 der zweiten Getriebestufe ist auf das untere Ende der Hohlwelle 61
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aufgekeilt und kämmt mit vier Planetenritzel 39, von denen In Fig. 2 nur zwei sichtbar sind. Diese Planetenritzel 39 werden im Käfig 19 durch Lagerbolzen 64 sowie durch ebenfalls vorzugsweise aus Wolframkarbid bestehende Lagerbuchsen 65 unterstützt. Wie bei der ersten Stufe sind auch hier Sicherungsringe 66 für die Lagerbolzen vorgesehen. Die Planetenritzel 39 kämmen mit dem feststehenden Innenzahnkranz 18, der mit dem Gehäuse 15 verkeilt ist.
Der Ritzelkäfig 19 Ist innerhalb des Gehäuses 15 durch ein
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und -abStandsring 70Planetenradlagerbolzen 64 normalerweise durch die Stopfen 73 verschlossene Öffnungen vorgesehen, die sich durch den Käfig 19 hindurch nach oben erstrecken. Die Stopfen 73 tragen Dichtungsringe 74 von kreisrundem Querschnitt.
Der Ritzelkäfig 19 trägt eine zylindrische Verlängerung 75, die als angetriebene Welle des gesamten Untersetzungsgetriebes 6 wirkt. Ein Dichtungsaggregat, das aus einem magnetischen Dichtungs- und Ver- scbleissring 76, einem Dichtungsring 77 von kreisrundem Querschnitt und einem magnetischen Abdichtungsteil 78 besteht, das seinerseits einen Dichtungsring 78a von kreisrundem Querschnitt und eine Klemmschraube 78b trägt, ist vorgesehen, um das Eindringen von Bohrflüssigkeit zwischen dem Käfig 19 und der Antriebswelle 55, d. h. ein Eindringen in den die Zahnräder enthaltenden Hohlraum hinein zu verhindern.
In ähnlicher Weise ist ein Dichtungsaggregat, das aus einem Abdichtungstell 79, einem Abdichtungs- und Verschleissring 80, einem Haltering 81, der in eine Nut in der Verlängerung 75 htneinfe-
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und dem Gehäuse 15 vorgesehen. Der Abdichtungsteil 79 Ist in dem Dichtungsbaltering 83 befestigt, der seinerseits im Gehäuse 15 durch Klemmschrauben 84 in seiner Lage gehalten wird ; das obere Ende dieses Halteringes drückt gegen das untere Lager 68 des Planetenritzelkäfigs und hält es in seiner Lage.
In eine
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Getrieberaum an. dessen unterem Ende zu verhindern, hat einem Druckabfall standzuhalten, der dem vollen hydrostatischen Druck der Bohrflüssigkeit entspricht, weil der Druckausgleichsbalg 46 auf seiner Aussenseite dem Druck der Bohrflüssigkeit ausgesetzt ist, die von dort aus durch die axialen Kanäle längs der Aussenseite des Gehäuses 15 weiterstrSmt und daher das Schmiermittel im Getrieberaum unter Druck hält, der praktisch sogar höher als der Druck der Bohrflüssigkeit an der Aussenseite der Dichtungsaggrega- te ist, weil in der Bohrflüssigkeit beim Durchströmen der Kanäle am Umfang des Gehäuses 15 ein gezin- ger Druckabfall stattfindet.
Deshalb zeigt der Schmierstoff eher das Bestreben, längs der Abdichtungen aus dem Getrieberaum auszutreten, als dass BohrHussigkeit in den Hohlraum eintritt.
Sowohl die Antriebswelle 55 als auch die Verlängerung 75 des Ritzelkäfigs 19 sind mit Keilverzah- nungen 86 bzw. 87 versehen, damit man die Welle 4 und die Bohrerwelle 5 mit der antreibenden Welle 55 bzw. mit der angetriebenen Welle 75 des Untersetzungsgetriebes 6 derart kuppeln kann, dass die Teile durch eine einfache axiale Bewegung leicht voneinander gelöst werden können. Wenn man die Keilbahnen an der Läuferwelle 4 und der Bobierwelle 5 ballig ausbildet, d. h., den Aussenkanten der
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fehler zulassen, ohne dass beispielsweise von einer exzentrischen Bohrerbelastung herrührende Biegemomente von der Welle 4 oder der Bohrerwelle 5 auf das Untersetzungsgetriebe 6 übertragen werden.
Die patronenförmig Turbine l, die im wesentlichen aus dem inneren Schaufelsystem Z und dem
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3, diemutter 102 verhindert, welche mit einer Klemmschraube 103 versehen ist und die Ringe 100 an eine am oberen Ende der Welle 4 vorgesehene Schulter andrückt. Die Schaufeln sind an den Ringen 100 in der üblichen Weise befestigt. Einzelheiten über die Schaufelform usw. werden weiter unten angegeben.
Die auf die Welle 4 wirkende axiale Schubkraft wird auf die Bohrerwelle 5 durch ein Drucklager 20 übertragen, das am unteren Ende der Welle 4 vorgesehen ist. Dieses Lager wird durch Rippen oder Stege 109 unterstützt, die am Tragring 108 befestigt sind, der seinerseits-wie auch aus Fig. 8 ersichtlichan seinem unteren Ende durch das Aussengewinde 128 mit der Bohrerwelle 5 verbunden ist. Der Lagerklotz 104 des Lagers 20 ist mit der Welle 4 durch einen Keil 105 verbunden. Die Unterseite des Klotzes 104 stützt sich an Lagerstücken 106 ab, von denen in Fig. 3 nur eines sichtbar ist und die durch ein Lagergehäuse 107 getragen werden, das von Rippen 109 abgestützt wird. Das untere Ende des Lagergehäu- ses 107 Ist mittels eines Lagerdeekels 111 verschlossen, der in den Lagerkörper 20 eingeschraubt ist.
Im Raum zwischen dem Lagerklotz 104 und dem Lagergehäuse 107 ist ein Dichtungselement vorgesehen, um zu verhindern, dass Bohrfliissigkeit in den Innenraum 110 des Lagers eindringt : dieses Dichtungselement besteht aus einem Verschleissring 112, einem Dichtungsring 113 von kreisrundem Querschnitt, einem keilförmigen Ring 115 aus Polytetrafluoräthylen, einem Ring 114 aus Kohle bzw. Graphit und einer Anzahl von Federn 116a, die in einen durch eine Klemmschraube 116b festgehaltonenDIchtungsteil IM ein-
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sind. Ein federnder Ringseiner Lage.
Der Hohlraum 110 ist an seinem unteren Ende durch einen Faltenbalg bzw. eine Rohrmem- bran 118 verschlossen, die an dem Lagergehäuse 107 mittels eines ringförmigen Bauteiles 119 befestigt ist ; letzteres trägt einen Dichtungsring 120 von kreisrundem Querschnitt, um zu verhindern, dass Bohrflüssigkeit längs des Ringes 119 in den Hohlraum 110 eindringt. Die Rohrmembran 118 wirkt als Druckausgleichseinrichtung, um den StrÖmungsmitteldruck im Hohlraum 110 im wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem Druck der ausserhalb zirkulierenden Bohrflüssigkeit zu halten, die über den axialen Kanal im Kappenteil 111 Zutritt zur Aussenseite der Rohrmembran 118 hat. Zum Füllen bzw.
Nachfüllen des Hohlraumes 10 mit dem Schmiermittel dient der Kanal 121, der normalerweise durch einen mit einem Dichtungsring 123 von kreisrundem Querschnitt versehenen Stopfen 122 verschlossen ist. Ein Radiallager 124 stützt die Welle 4 innerhalb des Lagergehäuses 107 in radialer Richtung ab.
Das obere Ende der Welle 4 trägt eine Keilverzahnung 125, damit man die Welle mit der Antriebswelle 55 des Untersetzungsgetriebes kuppeln kann ; die Kellbahnen 125 sind in der bereits angedeuteten Weise ballig ausgebildet.
Das äussere Schaufelsystem 3 setzt sich aus acht schaufeltragendenRingen 126zusammen. In Fig. 4 sind die zusammengebauten Schaufelringe 126-teilweise aufgeschnitten-perspektivisch dargestellt, wobei die Schaufeln nicht gezeichnet sind, um die Darstellung deutlicher zu machen. Die Ringe 126 sind jeweils an einem Ende an der Aussenseite und am andern Ende auf der Innenseite abgestuft, so dass man sie gemäss Fig. 4 teilweise ineinanderschieben kann. Die Ringe besitzen zwei einander diametral gegen- überliegende Keilnuten 130, in die zwei Nasenkeile 127 federnd eingesetzt sind, um die Ringe miteinander zu verspannen.
Diese Keile 127 stehen gegenüber den Aussenflächen der Ringe 126 nach aussen vor und dienen ausserdem dazu, das äussere Schaufelsystem 3 mit derBohrerwelle 5 zu verkeilen, was an Hand von Fig. 8 noch erläutert wird. Am rechten Ende von Fig. 4, das dem unteren Ende von Fig. 3 entspricht,
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sprechendes Gewinde der Bohrerwelle 5 einschrauben ; zum Festhalten des Tragringes dient ein federnder Haltering. Er verspannt die Schaufelringe 126, den Abstandsring 129 und den Tragring 108 mit der innenliegenden Schulter der Bohrerwelle 5 (siehe Fig. 8). Gemäss Fig. 3 ist die Lage des äusseren Schaufelsystems 3 gegenüber dem inneren Schaufelsystem 2 nicht vollständig bestimmt ; soll die Turbine 1 vor dem Zusammenbau bzw.
Einbau und während desselben als gesondertes Aggregat behandelt werden, kann es zweckmässig sein, das äussere Schaufelsystem 3 dadurch in die richtige Lage zu bringen, indem man geschmolzenes Wachs in die Zwischenräume der Schaufeln eingiesst und das Wachs erstarren lässt. Dieses Wachs lässt sich erforderlichenfalls leicht entfernen. Um eine Beschädigung der Schaufeln der ersten Stufe des äusseren Schaufelsystems 3 beim Zusammenbau oder während des Transportes usw. zu verhindern, Ist ein Schutzring 132 vorgesehen.
Die Turbine 1 besitzt sieben Stufen mit Reaktionsbeschaufelung. Jeder Schaufeltragring 100 des inneren Schaufelsystems trägt 32 Schaufeln, während jeder Schaufeltagring 126 des äusseren Schaufeltystems 31 Schaufeln aufweist. Die Fig. 5 bzw. 6 zeigt in grösserem Massstab das Profil einer Schaufel
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des inneren bzw. äusserenSchaufelsystems, wobei in beiden Fällen die axiale Komponente desBohrflusissig- keitsstromes durch einen gestrichelten. Pfeil 131 angedeutet ist.
Nachstehend sind weitere Einzelheiten der Beschaufelung zusammengestellt :
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<tb>
<tb> Schaufelbre1te <SEP> in <SEP> Achsrichtung <SEP> l, <SEP> 27 <SEP> cm
<tb> Axialer <SEP> Spalt <SEP> zwischen <SEP> den <SEP> Schaufelkränze <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> cm
<tb> Ringfläche <SEP> 25,8 <SEP> cm <SEP> :
<SEP>
<tb> Breite <SEP> des <SEP> Ringes <SEP> l, <SEP> 31 <SEP> cm
<tb> Schaufelhöhe <SEP> 1,26 <SEP> cm
<tb> Mittlerer <SEP> Schaufeldurchnesser <SEP> 6,29 <SEP> cm
<tb> Mittlere <SEP> Teilung <SEP> der <SEP> Schaufeln <SEP> des <SEP> inneren <SEP> Schaufelsystems <SEP> 0,62 <SEP> cm
<tb> Mittlere <SEP> Teilung <SEP> der <SEP> Schaufeln <SEP> des <SEP> äusseren <SEP> Schaufelsystems <SEP> 0,
64 <SEP> cm
<tb> Drehzahl <SEP> des <SEP> inneren <SEP> Schaufelsystems <SEP> 4 <SEP> gegenüber <SEP> dem <SEP> Gehäuse <SEP> 7 <SEP> bei <SEP> der <SEP> konstruktiv <SEP> vorgesehenen <SEP> Betriebsdrehzahl <SEP> 5275 <SEP> Umdr/min
<tb> 'Drehzahl <SEP> des <SEP> inneren <SEP> Schaufelsystems <SEP> 4 <SEP> gegenüber <SEP> der <SEP> Bohrerwelle <SEP> 5 <SEP> bei <SEP> der <SEP> konstruktiv <SEP> vorgesehenen <SEP> Betriebsdrehzahl <SEP> 5775 <SEP> Umdr/mln
<tb> Mittlere <SEP> Schaufelgeschwindigkeit <SEP> bei <SEP> der <SEP> konstruktiv <SEP> vorgesehenen <SEP> Betriebsdrehzahl <SEP> 19,2 <SEP> m/s
<tb> Geschwindigkeit <SEP> der <SEP> aus <SEP> dem <SEP> äusseren <SEP> Schaufelsystem <SEP> bei
<tb> der <SEP> konstruktiv <SEP> vorgesehenen <SEP> Betriebsdrehzahl <SEP> austretenden <SEP>
<tb> Flüssigkeit <SEP> 15,
3 <SEP> m/s
<tb> Axialgeschwindigkeit <SEP> der <SEP> Flüssigkeit <SEP> bei <SEP> einem <SEP> Durchsatz <SEP> von <SEP> 2, <SEP> 3 <SEP> mS/min <SEP> 14,7 <SEP> m/s
<tb>
Fig. 7 zeigt das Lageraggregat 23 (Fig. 1 und 8) im Axialschnitt. Diese Figur besteht aus den beiden Teilen 7A und TB, die im folgenden gemeinsam als Fig. 7 bezeichnet sind} das untere Ende von Fig. 7A schliesst sich an das obere Ende von Fig. 7B an. Fig. 7 ist im gleichen Massstab gezeichnet wie Fig. 2 und 3, wobei der an der in Fig. 7A eingezeichneten Bruchstelle fortgelassene Abschnitt so lang ist, dass die wirkliche Gesamtlänge des vollständigen Turbinenaggregats zwischen seinen Schultern 120 cm beträgt.
Das Aggregat 23 besteht aus zwei Hauptteilen, nämlich der Bohrerwelle 5 und dem Gehäuse 7. Dieses Aggregat hat in Fig. 7 die Lage, welche es bei einem Turbinenaggregat einnimmt, das in einem senkrechten Bohrloch arbeitet ; das obere Ende des Gehäuses 7 trägt ein Innengewinde 150, damit man dasGehäuse in der üblichen Weise mit dem unteren Ende eines Bohrgestänges, eines Bohrkragens oder einer Stösseleinrichtung verbinden kann. Das untere Ende der Bohrerwelle 5 ist mit einem Aussengewinde 151 versehen, das es ermöglicht, die Welle mit einem Werkzeuganschlussstück 152 zu verbinden.
Ferner umfasst das Aggregat 23 ein Axial- bzw. Drucklager 21 und 22 sowie ein Radiallager 153 ; diese in der üblichen Weise ausgebildeten Lager sind in dem Raum zwischen dem Gehäuse 7 und der Bohrerwelle 5 angeordnet. Die Lager 21,22 und 153 sind gegen axiale Bewegungen durch eine Haltemutter 157 gesichert, die in ein Innengewinde des Gehäuses 7 eingeschraubt ist.
Um zu verhindern, dass Bohrspülung in den die Lager 21,22 und 153 enthaltenden Hohlraum 154 eindringt, sind Dichtungselemente 155 und 156 vorgesehen, die ebenso ausgebildet sind wie die Abdichtungen des das Drucklager 20 für die Läuferwelle 4 enthaltenden Hohlraumes.
Oberhalb des Dichtungsaggregats 155 befindet sich zwischen dem stromlinienförmigen FührungstUck 159, dem Gehäuse 7 und der Bohrerwelle 5 ein weiterer Hohlraum 158. Das stromlinienförmige Ftihrungs- oder Einsatzstück 159, dessen gekrümmte Oberseite einen Teil der Innenfläche der Kanäle für die Bohrflüssigkeit bildet (Fig. 1), ist mit dem Gehäuse 7 durch Klemmschrauben 171 verbunden ; zwischen der Innenfläche des Einsatzstückes 159 und der Oberfläche der Bohrerwelle 5 verbleibt ein enger Spalt, so dass während des Betriebes Bohrflüssigkeit in den Hohlraum 158 eintreten kann.
Dieser Hohlraum enthält eine Druckausgleichseinrichtung für den Lagerraum 154 in Gestalt von zwei ringförmigen Balgen 160 und 161, die an ihren oberen Enden durch eine Abdichtungsplatte 162 miteinander verbunden und an einem ringförmigen Bauteil 163 befestigt sind und an ihrer Aussenseite dem hydrostatischen Druck der
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Bohrflüssigkeit ausgesetzt sind, bevor diese durch die Turbine 1 hindurchströmt. Diese Einrichtung hat die Aufgabe, den Druck des Schmierstoffes innerhalb des Lagerraumes 154 auf die Grösse des Bohrflüssigkeitsdruckes zu steigern, um das Eindringen von Flüssigkeit entlang der Dichtungselemente 155 und 156 möglichst weitgehend auszuschalten. Allerdings stellt sich am Dichtungselement 156 ein Druckunterschied ein, der dem Druckabfall in der Turbine 1 entspricht.
Ein Dichtungsring 164 von kreisrundem Querschnitt liegt in einer Nut an der Aussenseite des Ringes 163, um eine Abdichtung zwischen der Aussenfläche des Ringes und der Innenfläche des Gehäuses, zu bewirken ; ein weiterer Dichtungsring 165 von kreisrundem Querschnitt ist zwischen dem Tragring 163 und einem Verschleiss-oder Anlaufring 166 vorgesehen. Durch einen Abstandsring 188 wird der Ring 163 gegen eine innerhalb des Gehäuses 7 ausgebildete Schulter gedrückt und in einem Abstand von dem stromlinienförmigen Einsatzstück 159 gehalten. Dem Hohlraum 154 kann man erforderlichenfalls ein Schmiermittel durch den Kanal 167 zuführen, der normalerweise durch einen Stopfen 168 verschlossen ist, welcher einen Dichtungsring 169 von kreisrundem Querschnitt trägt und in der Öffnung 167 durch einen federnden Ring 170 festgehalten wird.
Ein weiteres Dichtungselement, das aus einem inneren Tragring 172, einem Packungs-oder Füllring 173, einer Anzahl von Dichtungsmanschetten 174, einem Füllring 175, einem Dichtungsgehäuse 176 und einem äusseren Tragring 177 besteht, ist unterhalb des Dichtungselementes 156 angeordnet, um den Spalt zwischen dem unteren Ende des Gehäuses 7 und-der Bohrerwelle 5 abzudichten. Öffnungenbzw. Kanäle 184 in der Bohrerwelle 5 und entsprechende Kanäle 184a (Fig. 3) in dem Tragring 108 der Turbine 1 ermöglichen es, dass Bohrflüssigkeit von dem Auslassraum der Turbine aus in den Hohlraum 183 ausserhalb des Dichtungsaggregats 156 eintritt.
Der Druckabfall längs des Aggregats 156 ist dann nur gleich dem Druckabfall längs der Turbine 1, während der Druckabfall längs dem erwähnten weiteren Dichtungsaggregat gleich dem Druckabfall zwischen dem Turbinenauslassraum und dem Bohrloch ausserhalb des Gehäu- ses 7 ist. Das Gehäuse 176 des zusätzlichen Dichtungsaggregats ist in axialer Richtung durch einen Sprengring 178 festgelegt. In einer Nut an der Aussenseite des Dichtungsgehäuses 176 ist ein Dichtungsring 179 von kreisrundem Querschnitt vorgesehen, um eine Abdichtung zwischen der Aussenfläche des Gehäuses 176 und der Innenfläche des Gehäuses 7 zu bewirken.
Der äussere Dichtungstragring 177, der durch den Sprengring178 sicher festgehalten wird, ist bei betriebsfertigem Turbinenaggregat mit dem Werkzeuganschlusssiück 152 durch eine Klemmschraube 180 verbunden, die durch einen Sprengring 181 gegen eine Lockerung gesichert ist. Ein weiterer Dichtungsring 182 von kreisrundem Querschnitt liegt in einer Nut des
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Das Lageraggregat 23 weist ferner verschiedene Einzelheiten auf, welche für den Zusammenbau des Turbinenaggregats und seinen Betrieb vorgesehen sind. Hiezu gehören die Keilbahnen 185 am oberen Ende der Bohrerwelle 5, die in eine entsprechende Kellverzahnung in der Verlängerung 75 (Fig. 2) der angetriebenen Welle des Getriebes 6 (Fig. 8) passen. Ebenso wie die Keilbahnen 125 (Fig. 3) der Welle 4 sind die Kanten der Keilbahnen 185 in Längsrichtung leicht gewölbt oder ballig ausgebildet, so dass bei exzentrischer Belastung ein Fluchtungsfehler zwischen den Achsen zulässig ist. Ausserdem sind Kanäle 190 vorgesehen, welche das obere Ende der Bohrerwelle 5 durchsetzen, damit die Bohrflüssigkeit aus dem Raum an der Aussenseite des Gehäuses 15 des Getriebes 6 zum Einlass der Turbine 1 strömen kann (Fig. 8).
Ein am unteren Ende der Bohrerwelle 5 vorgesehenes Innengewinde 29 dient zur Aufnahme des Aussengewindes 128 der Turbine 1 ; ferner ist eine Nut 192 für einen Sprengring vorgesehen ; am unteren Ende des Werkzeuganschlussstückes 152 wird ein Sieb 186 durch einen Sprenring 187 in seiner Lage gehalten ; dieses Sieb verhindert, dass im Falle des Zurückströmens von Bohrflüssigkeit grobe Feststoffe in die Turbine gelangen. An der Innenseite des Gehäuses 7 sind Keilbahnen 191 zur Aufnahme der Rippen 42 und 43 des Gehäuses 15 des Getriebes 6 ausgebildet.
Nachstehend wird der Zusammenbau der verschiedenen Teilaggregate an Hand von Fig. 8 erläutert, die einen Längsschnitt durch das gesamte Turbinenaggregat wiedergibt ; Fig. 8 ist jedoch nicht im gleichen Massstab gezeichnet wie die Fig. 2,3 und 7. Das Getriebe 6 bildet eine konstruktive Einheit und lässt sich von oben in das Gehäuse 7 des Aggregats 23 einschieben, nachdem man das Werkzeuganschlussstück 200 entfernt hat, das gemäss Fig. 8 in das Innengewinde 150 am oberen Ende des Gehäuses 7 eingeschraubt ist.
Beim Einschieben des Getriebeaggregats 6 von oben gleiten die Rippen 42 und 43 in die Keilnuten 191 in dem Gehäuse 7, bis ein geteilter Tragring 201, der federnd in den Raum hinter den Vorsprüngen 44 der Rippen 42 passt, an einer Schulter 202 an der Innenseite des Gehäuses 7 anstösst. Vor dem Festziehen des Werkzeuganschlussstückes 200 wird ein konischer Ring 203 eingesetzt, durch den das Getriebeaggregat 6 endgültig festgespannt wird. Wenn das Getriebe 6 richtig eingebaut ist ; greift die Keilverzahnung 185 der Bohrerwelle in die Keilverzahnung 87 (Fig. 2) in der Verlängerung 75 (Fig. 2) des Ritzelkäfigs 19 ein, wobei man die Bohrerwelle 5 vom unteren Ende aus derart dreht, dass sich die Keilverzahnungen ineinanderschieben lassen.
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Die eigentliche Turbine 1, bei welcher das äussere Schaufelsystem 3 gegenüber dem Inneren Schaufelsystem 2 durch erstarrtes Wachs in rillitiger Lage zueinander festgehalten Ist, wird in die Bohrerwelle 5 vom unteren Ende aus eingeführt, nachdem man das Werkzeuganschlussstück 152 abgenommen hat. Die Nasenkeile 127 des äusseren Schaufelsystems 3 gleiten in die Keilnuten 189 der Bohrerwelle 5, weiters muss die Keilverzahnung 125 am oberen Ende der Welle 4 mit der Innenkeilverzahnung 86 der Welle 55 des Getriebes 6 in Eingriff gebracht werden, wozu man die Turbine 1 gegenüber dem Gehäuse 7 vorsichtig verdreht, um die Keilverzahnung in Eingriff zu bringen.
Schliesslich wird die Turbine 1 endgültig befestigt, indem man das Gewinde 128 in das Gewinde 29 einschraubt und in die Nut 192 einen Sprengring einsetzt. Abschliessend wird, nachdem man den Dichtungsring 182 eingebaut hat, gemäss Fig. 7 das Werk- zeuganschlussstück 152 aufgeschraubt, worauf man den Dichtungstragring 177 in seiner Lage festhält, tndem man die Klemmschraube 180 festzieh und diese mit Hilfe des Sprengringes 181 sichert.
Aus Fig. 8 ist ersichtlich, dass die Bohrflüssigkeit nach ihrem Austreten aus den Kanälen zwischen dem Gehäuse 7 und dem Gehäuse 15 den Raum zwischen der gekrümmten Endfläche 204 des Dichtung-
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Flächelinienförmigen Einsatzstückes 159 (Fig. 7) des Lageraggregats 23 durchströmt, um schliesslich durch die Kanäle 190 In der Bohrerwelle zum Einlass der Turbine zu gelangen.
Um eine ausreichende Kühlung des Untersetzungsgetriebes des erfindungsgemässen Turbinenaggregats zu gewährleisten, kann man einen Wärmeaustauscher vorsehen, durch den die in dem Untersetzungsgetriebe entwickelte Wärme auf das die Turbine durchströmende Strömungsmittel übertragen wird. Bei dem an Hand von Fig. l bis 8 beschriebenen Turbinenaggregat kann man somit einen Wärmeaustauscher vorsehen, durch den hindurch das Schmiermittel für das Getriebe zirkuliert, und durch thermischen Kontakt mit der Bohrflüssigkeit gekühlt wird.
Ein Ausführungsbeispiel für ein Aggregat, das ein Getriebe und einen Wärmeaustauscher umfasst, ist in Fig. 9 im Längsschnitt dargestellt. Das Getriebe ist im wesentlichen ebenso ausgebildet wie das in Fig. 1 und 2 gezeigte.
Fig. 9 lässt erkennen, dass der Wärmeaustauscher 210 aus einem zylindrischen äusseren Mantel 211 und einem gleichachsig angeordneten zylindrischen inneren Mantel 212 besteht, worin sich ein zentraler Kanal 216 erstreckt. Im Raum zwischen den Mänteln 211 und 212 ist ein schraubenlinienförmig gewundener Metallstreifen 213 befestigt, so dass ein schraubenlinienförmiger Kanal 219 gebildet wird. Der äussere Mantel 211 passt mit Gleitsitz in eine axiale Bohrung im oberen Ende 214 des Gehäuses 15 für das Getriebe 6 und kann sich somit gegenüber dem Gehäuse 15 axial bewegen. Der Spalt zwischen dem unteren Ende des Mantels 211 und dem Gehäuse 15 ist durch einen ausziehbaren Faltenbalg 215 überbrückt.
Dieser Faltenbalg leitet das Schmiermittel weiter, das während des Betriebes aus dem oberen Ende der Kanäle 218 austritt, um in den Kanal 219 des Wärmeaustauschen 210 einzuströmen ; gleichzeitig arbei- ten der äussere Mantel 211 und der Faltenbalg 215 wie eine Druckausgleichseinrichtung zusammen, um einen Druckausgleich zwischen dem Druck des Schmiermittels innerhalb des Wärmeaustauschers 210 und des Gehäuses 15 einerseits und dem Druck der Bohrflüssigkeit In dem Kanal 10 anderseits im wesentlichen herbeizuführen und so die Gefahr zu vermindern, dass Bohrflüssigkeit durch die verschiedenen Dichtungen hindurchtritt.
Die Kanäle 218 stehen mit dem mit Schmierstoff gefüllten Hohlräumen Innerhalb des Ge- hauses 15 in Verbindung, und das. untere Ende des zentralen Kanals 216 ist über die Kanäle 217 an die gleichen Hohlräume angeschlossen.
Während des Betriebes des Turbinenaggregats wird das Schmiermittel durch die Pumpwirkung der Zahnräder durch den Wärmeaustauscher 210 hindurch umgewälzt. An sämtlichen Eingriffsstellen der Zahnräder wird das Schmiermittel in die sich voneinander entfernenden Zähne hineingezogen bzw. angesaugt und aus dem Raum zwischen den sich aufeinander zu bewegenden Zähnen herausgedrückt ; bei einem Sonnenrad, vier Planetenritzel und einem Zahnkranz sind somit acht Stellen vorhanden, an denen eine Ansaugwirkung auftritt, sowie acht Stellen, an denen auf das Schmiermittel ein Druck aufgebracht wird. Es bestehen zahlreiche Möglichkeiten, mm das so geförderte Schmiermittel je nach dem gewünschten Zir- kulationsvolumen weiterzuleiten.
Bei der Konstruktion nach Fig. 9 ist angenommen, dass allein die zweite Stufe des Getriebes 6 die erforderliche Schmierstoffumwälzung übernehmen kann, wobei das aus dem Wärmeaustauscher 210 abgesaugte Schmiermittel über die Kanäle 217 angesaugtund über die Kanäle 218 zum Wärmeaustauscher zurückgefördert wird. Man kann die Druckerzeugungsstellen zwischen dem Sennenrad 17 und den Planetenritzel sowie zwischen letzteren und dem Zahnkranz 18 durch im Käfig 19 vorgesehene, in der Zeichnung jedoch nicht dargestellte, Kanäle parallelschalten. In ähnlicher Weise kann man die Ansaugstelle parallelschalten.
Wenn auf diese Weise eine zu grosse Schmlerstoffmenge umgewälzt wird, kann es erwünscht sein, einen Teil dieser Menge über eine Leitung, z. B. Kanäle im
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Käfig 19, welche die Druckerzeugungsstellen am Umfang des Sonnenrades 17 mit den Ansaugstellen am Umfang des Zahnkranzes 18 verbinden, kurzzuschliessen. Es kann ferner erwünscht sein, dafür zu sorgen, dass ein Teil des gepumpten Schmiermittels durch Nuten der Planetenritzellagerbolzen strömt, damit ein ständiger Austausch des Öles in diesen Lagern gewährleistet ist.
Nötigenfalls kann man auch die Ritzel der ersten Getriebestufe in ähnlicher Weise als Zahnradpumpen verwenden. Gemäss Fig. 9 strömt das Schmiermittel durch die Kanäle 218 in den schraubenlinienförmigen Kanal 219 ein und kommt mit der Innenfläche des äusseren Mantels 211 in Berührung. Die durch den Kanal 10 zur Turbine 1 strömende Bohrfltissig-
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Temperatur als der Schmierstoff im Kanal 219 hat, gibt der Schmierstoff über den Mantel 211 Wärme an die Bohrflüssigkeit ab. Der im Wärmeaustauscher 210 abgekühlte Schmierstoff strömt durch den zentralen Kanal 216 und die Kanäle 217 zum Getriebe 6 zurück. Bei dieser Zirkulation des Schmierstoffe wird die im Getriebe 6 erzeugte Wärme auf die Bohrflüssigkeit übertragen und somit eine übermässige Erwärmung des Getriebes 6 vermieden.
Es sei bemerkt, dass man hinsichtlich der konstruktiven Einzelheiten der erfindungsgemässen Turbi- nenaggregate zahlreiche Änderungen vornehmen kann. Es ist z. B. möglich, ein Drucklager für die Läuferwelle 4 im Untersetzungsgetriebe 6 anzuordnen. In diesem Falle kann die Welle 4 ihren Axialhub über einen langen Bolzen, der In eine Bohrung eingeschraubt ist, die sich in der Welle 4 erstreckt, auf die Welle 55 übertragen. Die Schubkraft des inneren Schaufelsystems kann dann über einen flüssigkeltsgefüll- ten Ring, der zwischen dem Planetenritzelkäfig 19 und der Bohrerwelle 5 angeordnet ist, zur Bohrerwelle 5 übertragen werden, wobei nunmehr das Drucklager 20 durch ein einfaches Gleitlager ersetzt werden kann.
Femerkann man die Schmierstoffräume in dem Untersetzungsgetriebe 6 sowie in den Drucklager 21 und 22 z. B. mittels eines oder mehrerer Kanäle in dem Gehäuse 7 miteinander verbinden, wobei man Mittel vorsieht, um das Eindringen von Bohrflüssigkeit in diese Hohlräume zu verhindern, wenn das Un- tersetzungsgetriebe 6 ausgebaut wird. In diesem Falle kann man die Faltenbälge 160 und 161 und auch das Dichtungselement 156 und die Löcher 184 fortlassen. Die Abdichtung erfolgt dann durch die Dich- tungsmanschetten 174, die als in beiden Richtungen wirkende Dichtung ausgebildet sein müssen, so dass auch Bohrflüssigkeit nicht in die Lagerhohlräume eintreten kann, wenn das Bohrwerkzeug in ein Bohrloch abgesenkt wird.
Darüber hinaus ist es möglich, die Faltenbälge der verschiedenen Druckausgleichseinrichtungen, wie
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durch wäre'es leichter, dem Aggregat bei jedem Herausziehen aus dem Bohrloch Schmierstoff zuzuführen ; zu diesem Zweck müsste man an geeigneten Stellen durch Stopfen verschlossene Einfüllöffnungen vorsehen.
Es sei bemerkt, dass es sich bei den Angaben über die verschiedenen Abmessungen und Betriebsbedingungen des beschriebenen Turbinenaggregats lediglich um ein Ausführungsbeispiel handelt, und dass man je nach den Anforderungen des Einzelfalles Abänderungen vornehmen kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydraulische Turbine für Drehbohrantriebe in Tiefbohrlöchern, die mit einem äusseren und einem inneren Schaufelsystem sowie einem beide Schaufelsysteme einschliessenden Gehäuse versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schaufelsysteme (2,3) und das Gehäuse (7) relativ gegeneinander drehbar und durch ein Untersetzungsgetriebe (6) miteinander gekuppelt sind (Fig. 1).