Lagerbaueinheit Die Erfindung bezieht sich auf Lagerbau einheiten, die die eigentliche Lagereinrichtung in Kombination mit einer oder mehreren Zu satzeinriehtungen, wie Dichtungen oder der gleichen umfassen und besonders, jedoch nicht ausschliesslich für die Anwendung bei hydrau lischen Turbinen geeignet sind, die beim Tief bohren verwendet werden.
Bei bekannten Konstruktionen von Lager baueinheiten werden die Lagerteile wie auch die erforderlichen Zusatzeinrichtungen direkt mit den Bauteilen gekuppelt, zwischen denen das Lager angeordnet ist, oder sie bilden Teile von diesen. Diese Konstruktionen werden in Verbindung mit. den rotierenden Teilen aller Arten von Maschinen oder Motoren verwendet, die unter normalen Bedingungen betrieben werden und genügend Raum zum Aufnehmen von Lagerteilen und erforderlichen Zusatzein richtungen von ausreichender Abmessung haben. Diese Teile arbeiten infolgedessen bei spezifischen Belastungen von solch niederem Wert, dass die Abnutzung dieser Teile sehr gering ist.
Die Zerlegung dieser bekannten Konstruktionen ist auf wenige wiederkehrende Naehprüfungen des Lagerinnern während ihrer Lebensdauer beschränkt, während das Ausweehseln von Lager- oder Zusatzteilen eine Ausnahme ist.
Wenn eine Lagerbaueinheit in einen be schränkten Raum eingebaut werden muss, er- Olibt es sich oft, dass auf das Lager eine hohe spezifische Belastung wirkt, und die Folge ist, dass sich das Lager stark abnutzt. Dies ist besonders dann der Fall, wenn das Lager starke Stösse oder Schwingungen auszuhalten hat, oder wenn das Lager in einem Medium verwendet wird, dass eine schädliche Wirkung auf das Lager oder die Zusatzeinrichtungen ausübt. Unter diesen Umständen müssen die Lagerbaueinheiten deshalb häufig überprüft werden, und das Auswechseln von Lager- oder Zusatzteilen ist eine beständig wiederkehrende Notwendigkeit.
Dies ist besonders bei Lagerbaueinheiten der Fall, die bei unter Wasser betriebenen Geräten gebraucht werden, z. B. bei Unter wasserpumpen, die eine durch einen Elektro motor oder eine Turbine angetriebene Kreisel pumpe umfassen. Bei diesen Geräten werden die Lager von der zu pumpenden Flüssigkeit angegriffen. Solche Flüssigkeit kann eine ehemisehe wie auch eine von Sand oder an dern in dieser Flüssigkeit vorhandenen Teil chen herrührende, mechanische Wirkung auf die Lagerteile oder Zusatzteile, wie Dichtun gen, ausüben.
Dieselben Probleme treten auf, wenn Lagerbaucinheiten für Bohrwerkzeuge bestimmt. sind, wie sie zum Bohren von Bohr löchern gebraucht werden, insbesondere Bohr werkzeuge; bei denen der Bohrkopf direkt mit einer hydraulischen Turbine oder einen Elek tromotor gekuppelt ist.
Infolge des verhältnis mässig kleinen Durchmessers des Bohrloches sind die Räume, in denen die Lagerbauein- beiten eingebaut werden, sehr beschränkt, was gewöhnlich zur Verwendung von unterdimen sionierten bzw. zu kleinen Lagern führt, die infolge der hohen konstanten spezifischen Be lastung, die somit auf die Lager wirkt und durch einen besonderen Belastungsfaktor er höht wird, der sich aus den schweren Erschüt terungen ergibt, die durch den Bohrkopf beim Zermalmen der Formation hervorgerufen werden, einer sehr grossen Abnutzung unter liegen. Diese Lagerbaueinheiten müssen des halb sehr häufig ausgewechselt. werden.
In einem Bohrloch wird durch einen Bohrstrang, an dessen unterem Ende das Bohrwerkzeug angebracht ist, Spülschlamm bis auf den Boden heruntergepumpt. Bei Ver wendung einer hydraulischen Turbine. als Kraftmaschine zum Antrieb des Bohrkopfes kann der durch den sich langsam drehenden oder stillstehenden Bohrstrang gepumpte Spül schlamm als Arbeitsmittel zum Treiben des Turbinenläufers benutzt werden. Infolge der Schleifwirkung des Spülschlammes an den Turbinenschaufeln muss der Läufer sehr häu fig untersucht und infolgedessen ausgebaut werden. Dies wird erleichtert, wenn die Lager baueinheiten leicht und schnell ausgebaut wer den können.
Ein Zweck der Erfindung ist es, eine La gerbaueinheit zu schaffen, welche die eigent liche Lagereinrichtung in Verbindung mit einer oder mehreren Zusatzeinrichtungen ein schliesst und schnell und leicht zwischen gegen einander drehbaren Teilen eingebaut und aus gebaut werden kann.
Gemäss der Erfindung umfasst eine Lager baueinheit für den Einbau zwischen zwei koaxialen Bauelementen, die einer Relativ drehung undloder Schwingung um ihre ge meinsame Achse unterworfen sind, einen ersten und einen zweiten Bauteil für die An bringung an dem ersten bzw. zweiten Bau element, eine zwischen dem ersten und dein zweiten Bauteil liegende Lagereinrichtung, und eine Dichtungseinrichtung, die mit den genannten Bauteilen zusammen wirkt, um den Flüssigkeitsdurchtritt in den Lagerhohlraum wenigstens auf ein Minimum zu beschränken.
In vielen Fällen wird das erste Bauelement eine Welle und das zweite Bauelement eine Büchse, eine Hülse oder ein Lagerkörper sein, der koaxial zu der Welle angeordnet ist und dieselbe stützt und sich während des Betriebes um die gemeinsame Achse dreht und/oder hin- und zurückschwingt. In andern Fällen kann das äussere der beiden Bauelemente dasjenige sein, das einer Drehung unterliegt, oder beide Elemente können sich drehen.
Unter dein Ausdruck Lagereinrichtung , wie er in der Beschreibuna und den Ansprüchen gebraucht wird, soll jede Form von Lager verstanden sein, wobei bei einem typischen Fall Rollen- oder Kugellaufbahnen mit geeigneten Käfigen, Abstandsmitteln, Distanzringen und Einstell- muttern eingeschlossen sind. Der Ausdruck soll ferner auch Kombinationen verschiedener Lagerformen einschliessen. Der erste und der zweite Bauteil der Lagerbaueinheit können die Form einer koaxialen Hülse haben. In einem solchen Fall wird die innere Hülse als Wellenhülse und die andere Hülse als Futter hülse oder äussere Hülse bezeichnet.
Die Dichtungseinrichtung wird vorteilhaft von Dichtungen gebildet, welche im allgemei nen keinen hohen hydrostatischen Druck aus halten können; so sind, wenn ein Gerät, bei dem eine Lagerbaueinheit gemäss der Erfin dung angewendet wird, weit unter einen Flüssigkeitsspiegel abgesenkt wird, z. B. in einem Bohrloell oder Brunnen, Verunreini gungen des Innern der Lagerbaueinheit zu befürchten.
Es können dazu Druckausgleichmittel vor gesehen werden, welche den Druck innerhalb und ausserhalb der Lagerbaueinheit im we sentlichen ausgleichen, so dass die kleine %-er- bleibende Druckdifferenz von den Dichtungen ausgehalten werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Aus führungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt eines Teils einer hydraulischen Turbine, die beim Tiefbohren verwendet wird, und Fig.2 zeigt einen ähnlichen Schnitt, der zwei Abwandlungen der in Fig.1 gezeigten Turbine darstellt.
Fig.1 zeigt einen Schnitt über zwei koaxiale Bauelemente, welche von dem Statorgehäuse 1 und der Läuferwelle 2 einer hydraulischen Turbine, die beim Tiefbohren verwendet wird, gebildet werden. Die Pfeile zeigen den Weg des Spülschlammes durch die in Betrieb be findliche Turbine an.
Befestigungsmuttern 3 und 4 dienen als Mittel für den Einbau einer Lagerbauein- heit 5 zwischen diesen Bauteilen. Die Lager baucinheit 5 ist nur auf der rechten Seite der Fig.1 gezeigt. Die linke Seite zeigt den Aufbau, wenn die Lagerbaueinheit 5 ent fernt ist; die Befestigungsmuttern 3 und 4 sind jedoch eingezeichnet.
Das Statorgehäuse 1 und die Läuferwelle 2 sind mit. Schultern 6 und 7 versehen, gegen die die Lagerbaueinheit 5 durch die Muttern 3 und 4 in Anlage gehalten wird. Der Spül schlamm wird, nachdem er durch die Tur- binenbeschaufelung (nicht gezeigt) hindurch- 1.etreten ist, durch die Öffnungen 8 in das Innere der Läuferwelle geführt und fliesst dann nach unten zu dem Bohrkopf (in Fig. 1 nicht gezeigt), der mit dem untern Ende der Welle 2 verbunden ist.
Dort wird der Spül schlamm durch Öffnungen in dein Bohrkopf herausgedrückt und fliesst schliesslich an der Aussenseite des Statorgehäuses 1 entlang nach oben. Folglich herrscht zwischen dem Spül schlamm am Turbinenaustritt und aussen in dem Bohrloch ein Druckunterschied, der an nähernd gleich dem Druckabfall durch die Öffnungen des Bohrkopfes ist.
Die Lagerbaueinheit 5 besitzt eine Wellen hülse 9 und eine Gehäusehülse 10, zwischen welchen Bauteilen ein handelsübliches Lager 11 (das in bekannter Weise Lagerkäfige, Di stanzhalter, Abstandsringe und Reguliermut- tern einschliesst), Dichtungsmittel 18 und 19, eine Drosseleinrichtung 20, 21 und Druckaus- gleichsmittel 12, 13 eingebaut sind.
Die Dichtungseinrichtung umfasst einen Balg 17 und einen Dichtungsring 18 am obern Ende des Lagerhohlraumes 24 und ein Gummi- dichtungsglied 19 am untern Ende des Lager hohlraumes 24.
Der zwischen den Hülsen 9 und 10 und der Diehtungseinriehtung 18, 19 gebildete La gerhohlraum 24 ist mit Schmiermittel gefüllt. An der Aussenseite der Turbine sind grosse hydrostatische Drücke in dem die Turbine um gebenden Bohrschlamm zu erwarten. Zur Ent lastung der Dichtungsmittel von diesen hohen Drücken ist eine Druckausgleichseinrichtung vorgesehen, welche einen Balg 12 umfasst, der an der Gehäusehülse 10 angebracht ist und dessen Innenraum über eine Bohrung 13 und einen Kanal 14 in der Aussenwand der Ge häusehülse 10 mit Hohlräumen 15 und 16 am obern bzw. untern Ende der Lagerbauein- heit 5 in Verbindung steht.
Demzufolge wer den die Flüssigkeitsdrücke innerhalb und ausserhalb des Lagerhohlraumes 24 im wesent lichen ausgeglichen und dadurch die Gefahr von Leckverlusten durch-die Dichtungsmittel hindurch verringert. Durch die Anordnung einer Drosseleinrichtung 20, 21 kann die La gerbaueinheit 5 an solcher Stelle der Turbine montiert werden, dass entgegengesetzte Enden der Einheit 5 während des Betriebes in Berei chen verschiedenen Flüssigkeitsdruckes liegen.
Die Drosseleinrichtung umfasst Ringteile 20 und 21, deren benachbarte Flächen ein geringes Axialspiel voneinander haben, so dass sie einen mittels Schraubgewinden ein stellbaren Drosseldurchlass bilden. Die Ring teile 20 und 21 sind unterhalb des Dich tungsteils 19 angeordnet.
Der Raum, gebildet von den Hohlräumen 15 und 16, dem Kanal 14, welcher die beiden Hohlräume verbindet, der Bohrung 13 und dem Balg 12 steht dann an der Oberseite in Verbindung mit der Eintrittsseite der Turbine, in welcher ein hoher Druck herrscht, und ist mittels des zwischen den Ringteilen 20 und 21. gebildeten Spaltes mit dem an der Unterseite dieser Ringteile gebildeten Raum verbunden, -welch letzterer Raum in Verbindung steht mit der Austrittsseite der Turbine, in welcher ein niedriger Druck herrscht. Die durch diese Druckdifferenz in dem zwischen den genann ten Ringteilen angeordneten Spalt hervor- gerufene Strömung hat einen geringen Wert, falls der genannte Spalt nicht zu gross gewählt. wird.
Indem man das Ringteil 21 mit einem Cewinde 23 versieht, welches eine sehr feine Steigung aufweist und mittels eines Schraub gewindes mit der Hülse 10 in Eingriff steht, kann die Lage dieses Ringteils mit Bezug auf das Ringteil 20 eingestellt werden, so dass das erwünschte axiale Spiel zwischen den Ring teilen geregelt werden kann.
In dieser obengenannten Anordnung, wo bei zwei Räume gebildet werden und in einem der beiden ein hoher Druck, und in dem andern ein niedriger Druck herrscht, ist der Lagerhohlraum mit dem Dichtungsmittel ganz innerhalb eines dieser Räume angeordnet; dem zufolge wird erreicht, da.ss die Dichtungsmittel im wesentlichen gleichen äussern Flüssigkeits drücken ausgesetzt sind. Da ferner auch der innerhalb des Lagerhohlraumes herrschende Druck infolge der Wirkung der Druckaus gleichvorrichtung 12 im wesentlichen den glei chen Wert aufweist wie der auf diese Dich tungsmittel wirkende Druck, haben die Dich tungsmittel nur gegen eine relativ geringe Druckdifferenz abzudichten, und können also sehr einfacher und leichter Bauart sein.
Es wird ohne weiteres verständlich sein, dass, wenn die Drosseleinrichtung nicht vor handen wäre, um den Raum zwischen den Hülsen 9 und 10 zu unterteilen, die äussern Drücke auf die Dichtungsmittel am obern Lind untern Ende des Lagerhohlraumes 21 ver schieden sein würden, und damit die Wirkung der Druckausgleichseinrichtung teilweise auf gehoben würde.
Trotz all dieser Vorkehrungen wird die Lebensdauer des Lagers 11 kurz sein. Die Lagerbaueinheit 5 wird folglich häufig aus gewechselt werden müssen. Dies kann jedoch leicht und schnell ausgeführt werden, da es lediglich notwendig ist., die Befestigungsmut- tern 3 und 4 zu entfernen, um eine abgenutzte oder beschädigte Lagerbaueinheit 5 heraus7u- ziehen und eine neue einzusetzen.
Die Fig.2 zeigt einen Schnitt, der zwei weitere Ausführungsformen der Erfindung darstellt. Die linke und rechte Hälfte des Selinittes sind gleichartige Schnitte der beiden Ausführungsformen, die in vieler Hinsicht von gleicher Konstruktion sind. Gleiche Teile der beiden Ausführungsformen sind mit glei chen Bezugszeichen bezeichnet, wobei diejeni gen, die sich nur auf die rechte Hälfte der Zeichnung beziehen, mit einem Beistrich ver sehen sind.
Wie bei der Ausführungsform nach Fig.l fliesst der Spülschlamm im Be trieb zwischen dem Statorgehäuse 1 und der Läuferwelle 2 am Kopf der Fig. 2 nach unten und wird durch die Öffnungen 8 in das Innere der Läuferwelle 2 geführt. Eine Hülse 25 ist an der Läuferwelle 2 befestigt, und ein ringförmiger Teil 26 bzw. 26' ist an dem Sta- torgehäuse 1 angeschraubt, wobei ein zwischen der Hülse 25 und dem ringartigen Teil 26, bzw. 26' die Strömung reduzierender Drossel kanal 27 gebildet ist. Eine Bohrung 28 bzw.
28' verbindet den Drosselkanal 27 mit. dem Raum ausserhalb des Statorgehäuses 1.
Eine Lagerbaueinheit 30 bzw. 30' kann leicht an den oben beschriebenen Elementen angebracht werden. Bei der auf der linken Seite der Fig.2 gezeigten Ausführungsform befestigten Muttern 29 (von denen nur eine gezeigt ist) die Lagerbaueinheit 30 an dem ringförmigen Teil 26, während in der auf der rechten Seite der Fig.2 gezeigten Ausfüh rungsform die Lagerbaueinheit 30' mittels des Schraubgewindes 29' an das Stator- gehäuse 1 angeschraubt ist. An dem untern Ende der Lagerbaueinheit 30 bzw. 30' ist ein Bohrkopf 3l auf die Läuferwelle 2 aufge schraubt.
Es ist ersichtlich, dass nach dem Entfernen des Bohrkopfes 31 die Lagerbauein- heit 30 durch Lösen der Muttern 29 schnell entfernt werden kann, während die Lagerbau einheit 30' durch Losschrauben des Gewinde 29' in ähnlicher Weise schnell entfernt werden kann.
Die Lagerbaueinheiten 30 und 30' sind im übrigen identisch. Jede umfasst eine Wellen hülse 33 und eine Gehäusehülse 32, zwischen denen Lager 34 und 35 (die in bekannter Weise entsprechende Lagerkäfige, Abstands ringe, Distanzhalter und Reguliermuttern auf weisen), ein flüssigkeitsgefüllter Druckring 36 sowie Dichtungsmittel und eine Drtickatts- gleicheinriehtung eingebaut. sind. Die Druck -leieheinriehtung umfasst eine flache, ge- , ausn wellte @lembx-an 37, die auf.' einem Teil 38 an gebracht ist.
Die Dichtungsmittel, welche ein Durchdrin gen des Bohrschlammes in den Lagerhohlraum 41 zu verhindern haben, können, da. durch die Anordnung der Druckausgleichvorriehtung 37 die Drücke innerhalb und ausserhalb des La gerhohlraumes 41 gleich sind, von den Kanälen 39 und 40 gebildet werden.
Der Kanal 39 ist zwischen dem Teil 38 und der Hülse 33, und der Kanal 40 ist zwischen den Hülsen 32 und 33 angeordnet. Da durch die Anordnung des Drosselkanals 27 an der Ober- und Unterseite der La,gerbaueinheit 30 der gleiche Druck lierrseht, und die Druckdifferenz über die Ka- näle 39 Lind 40 und den zwischen diesen Ka nälen geschalteten Lagerhohlraum 41 also gleich null ist, wird keine Strömung des Bohr schlammes erregt werden, welche das im La gerhohlraum befindliche Schmierfett vertrei ben würde.
Nur wird der Druck innerhalb des Lagerhohlraumes sich ändern in Zusammen- hanri mit der Tiefe, bis auf welche die Tur bine in das Bohrloch hinuntergelassen, bzw. gehoben wird. Der Rauminhalt der Kanäle 39 und 40 braucht nur grösser als die infolge der grössten, innerhalb des Lagerhohlraumes auf tretenden Druckänderung erregte Volumen änderung des im Lagerhohlraum befindlichen Schmierfettes gewählt zu werden, um eine Ver schmutzung des Schmierfettes durch Bohr sehlamm zu verhüten.
Die Lagereinrichtung kann vollständig zu sammengebaut, mit Schmiermittel versehen und dann mit den erforderlichen Zusatzeinrichtun gen, wie Dichtungen und Druckausgleichmit- teln, verbunden werden um eine Lagerbauein- beit zu bilden, die als Ganzes vor ihrem Einbau überprüft werden kann. Nach dem Zusam menbau der Lagerbaueinheit wird das Innere des Lagerhohlraumes mit einem geeigneten Schmiermittel, wie Öl oder Fett, gefüllt. Das Füllen kann über einen in der Wand der Lagerbaueinheit vorgesehenen Schmiernippel erfolgen.
Die Lagerbaueinheit wird danach geprüft, und wenn das Ergebnis zufrieden stellend ist, ist sie gebrauchsfertig. Da sich die Lagerbaueinheit im zusammengebauten Zustand befindet, kann sie leicht durch einen ungelernten Arbeiter eingebaut werden.
Wenn die beiden Bauteile (bezw. die bei den Hülsen), die die Lagerteile und die Dich tungsteile tragen, zusammengebaut sind, ist keine andere Relativbewegung zwischen ihnen möglich als nur eine drehende oder schwin gende Bewegung um ihre gemeinsame Längs achse, wobei jede Axialbewegung, die grösser ist als die für den Temperaturausgleich oder ähnliches erforderliche, durch axiales Zu sammenwirken der Lagerteile oder anderer geeigneter Mittel verhindert ist.