Die Erfindung betrifft ein hydraulisch angetriebenes Gesteinsbohraggregat, mit einem an einen Bohrstrang anschliessbaren Gehäuse und einer darin in Lagern angeordneten, hohlen Rotorwelle, welche zur Übertragung eines Drehmomentes mit einem Bohrkopf verbindbar ist, ferner mit einer zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse angeordneten Dichtungsvorrichtung zur Verhinderung des Eindringens von Bohrschlamm in die Lager, mit Mitteln zur Ausübung des Druckes des Bohrschlammes auf das in den Lagern vorhandene Schmiermittel, wobei die Druckhöhe derjenigen des dem Motor zugeführten Bohrschlammes entspricht.
Normalerweise werden Gesteinsbohrungen durch Verwendung eines Bohrturmes ausgeführt, welcher zum Drehen eines aus zusammengekuppelten Rohren bestehenden Rohrstranges ausgebildet ist, der sich von der Erdoberfläche weg nach unten erstreckt, und an dessen unterstem Ende der Bohrkopf befestigt ist. Die durch das Bohren am Lochboden erzeugten Gesteinssplitter und Teilchen werden zur Oberfläche aufgespült und zwar durch den Ringraum zwischen dem Bohrstrang und der Bohrlochwandung. Als Fördermittel wird dabei eine Flüssigkeit verwendet, welche durch den Rohrstrang zum Lochende hinuntergeführt wird. Diese Flüssigkeit wird normalerweise Schlamm oder Bohrschlamm genannt und hat ferner die Aufgabe, den Bohrkopf zu kühlen.
Das zum Drehen des Bohrkopfes erforderliche Drehmoment ist sehr hoch und wird in der Regel durch den Bohrstrang vom Bohrturm zum Bohrkopf übertragen. Die bei der Übertragung dieses Drehmomentes im Bohrstrang aufgespeicherte Energie ist deshalb bedeutend, und zwar insbesondere dann, wenn die Bohrlöcher tief sind. Ausserdem entstehen leicht Schwierigkeiten, wenn der Bohrkopf verschiedenartige Schichten durchdringt, welche zu Schwankungen im erforderlichen Drehmoment führen. Ferner setzt die Übertragung des erforderlichen Drehmomentes vom Bohrturm bis zum Bohrkopf voraus, dass die einzelnen Rohre des Bohrstrangs eine gewisse Wandstärke und Starrheit aufweisen und deshalb schwer und teuer sind.
Diese Forderung bezüglich der Wandstärke der einzelnen Rohre des Bohrstranges steht im Gegensatz zu den anderen Forderungen an den Roh ren, nämlich, dass sie einen grossen inneren Querschnitt haben, damit sie grosse Schlammengen zum unteren Ende des Bohrlochs durchlassen können, weil nur dann eine einwandfreie Kühlung des Bohrkopfes und eine einwandfreie Spülwirkung möglich sind.
Wenn ferner ein geradliniges Bohrloch zu erstellen ist, müssen die Rohre des Bohrstranges gerade und genau sein, damit das Drehmoment ohne Richtungsabweichungen übertragen, und somit die gewünschte Bohrrichtung nicht verlassen wird. Auf der anderen Seite ist es schwierig, wenn nicht unmöglich, ein Bohrloch mit einer bestimmten Abweichung von der geradlinigen Richtung herzustellen.
Es wurde deshalb festgestellt, dass viele Nachteile und Konstruktionskompromisse bei Bohreinrichtungen der beschriebenen Art dadurch behoben werden können, dass das erforderliche Drehmoment mittels einer in der Nähe des Bohrkopfes angeordneten Vorrichtung erzeugt wird, welche von ihr zugeführten Mitteln angetrieben wird. Die sogenannte Bohrturbine ist eine bekannte Ausführung einer solchen Vorrichtung. Die Bohrturbine umfasst einen hydraulischen, turbinenartigen Motor, welcher am unteren Ende des Bohrstranges befestigt ist und von Schlamm angetrieben wird, welcher ihm durch den Bohrstrang zugeführt wird. Es besteht bereits eine ganze Reihe von Konstruktionen für Bohrturbinen, aber bis jetzt wurde keine Ausführung geschaffen, welche in der Praxis die Konkurrenz mit den oben beschriebenen Ausführungen aufnehmen konnten.
Ein Grund für die Unterlegenheit liegt darin, dass der Schlamm entweder eine zu hohe Drehzahl, oder bei einer absichtlichen Reduktion derselben, ein zu kleines Drehmoment erzeugt.
Bohrschlamm ist normalerweise eine stark schmirgelartige Lösung oder Suspension von Sand und Felsenteilchen.
Der Schlamm wird dauernd durch den Bohrstrang, das Bohrloch und ein Absetzbehälter geführt, in welchem die grösseren Brocken sich absetzen. Diese stark schmirgelartige Flüssigkeit ist selbstverständlich schädlich für alle sich relativ zueinander bewegenden Flächen, zwischen welchen sie eindringen kann. Ausserdem befindet sich, wie bereits erwähnt, der Schlamm am Boden eines Bohrloches, unter einem sehr hohen hydrostatischen Druck, weshalb das Vermögen des Schlamms zum Eindringen in die Lager und zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen sehr hoch ist. Die Lager eines hydraulischen Motors für ein Bohrwerkzeug neigen deshalb dazu, mit dem stark schmirgelartigen Schlamm verunreinigt zu werden, welcher zum Antrieb des Gesteinsbohraggregates verwendet wird.
Weil diese Lager starken Belastungen und Laständerungen ausgesetzt sind, ist es einleuchtend, dass Lagerdefekte ein wichtiger Grund für die Unzuverlässigkeit der bisherigen Bohrturbinen waren.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines hydraulisch angetriebenen Gesteinsbohraggregates der eingangs genannten Art, welches die Nachteile bestehender Ausführungen nicht aufweist.
Das erfindungsgemässe hydraulisch angetriebene Gesteinsbohraggregat der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass als die genannten Mittel Leitungen für den Bohrschlamm mit der genannten Druckhöhe durch die Rotorwelle zur Dichtvorrichtung unterhalb der Lager vorgesehen sind, damit der Bohrschlamm auf die Dichtungsvorrichtung in der unteren Endzone einwirkt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dichtungsvorrichtung innere und äussere Dichtungselemente einschliesst, und der Zuflussweg zum Leiten des Bohrschlammes zu einem Punkt zwischen dem äusseren und dem inneren Dichtungselement dient, und dass ein Abflussweg für den Bohrschlamm von der Dichtungsvorrichtung aus dem Gehäuse heraus vorhanden ist.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Gesteinsbohraggregates anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1 A bis 1 D einen Axialschnitt durch je einen Viertel der Länge eines hydraulischen Gesteinsbohraggregates; und
Fig. 2 und 10 neun Querschnitte durch das Gesteinsbohraggregat nach Fig. 1, an den mit entsprechenden römischen Zahlen bezeichneten Schnittlinien II bis X.
Die Ausführung des Gesteinsbohraggregates wird zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 1A bis 1D beschrieben.
Das Gesteinsbohraggregat umfasst ein rohrförmiges Gehäuse 1, welches sich von einem zum anderen Ende des Gesteinsbohraggregates erstreckt und an seinem oberen Ende eine mit Innengewinde versehene Armatur 2 aufweist. Die Armatur 2 ist zur Befestigung am unteren Rohr eines Bohrstranges vorgesehen. Das untere Ende des Gehäuses 1, welches ruhend ist und als Stator dient, ist mit einem Innengewinde 3 für eine Armatur 4 versehen.
Ein Rotor ist drehbar im Gehäuse 1 angeordnet und umfasst eine hohle Rotorwelle 5, welche über den grössten Teil ihrer Länge in einem abgedichteten Lager angeordnet ist.
Das obere Ende der Rotorwelle 5 ist mittels sechs Antriebsspindeln 6 am Rotor befestigt, während das untere Ende der Rotorwelle 5 einen radial vergrösserten Teil 7 aufweist, welcher in eine Endarmatur 8 mit einem API-lnnengewinde 9 zur Befestigung eines nichtgezeigten Bohrkopfes übergeht.
Im folgenden wird die Ausführung des Gesteinsbohraggregates detailliert beschrieben und zwar von oben nach unten, d. h. von links in Fig. 1A.
Die obere Armatur 2 enthält ein zur Befestigung an das untere Rohr des Bohrstranges vorgesehenes Ablassventil 10, welches automatisch betätigbar ist und als Auslass für die
Schlammsäule im Bohrstrang dient, wenn der Schlamm nicht mehr unter Druck steht, wie z. B., wenn der Bohr strang vom Bohrloch zurückgezogen wird. Das Ablassventil
10 umfasst einen Körper 11, welcher mittels einer Sperrmutter 12 in der Armatur 2 festgehalten und mittels eines Dichtungsringes 13 mit der Innenseite der Armatur 2 dicht ver bunden ist. Der Körper 11 schliesst einen Querteil 14 ein, wet cher drei Ausgangskanäle 15 für den Schlamm aufweist. Die Ausgangskanäle 15 führen über eine ringförmige Vertiefung
16 in die innere Wandfläche der Armatur 2 zu einer Ausgang söffnung 17, welche sich durch diese Wand erstreckt.
Der
Querteil 14 des Ablassventils ist ferner mit drei dauernd offe nen Kanälen 18 für den Durchfluss von unter Druck stehen den Schlamm versehen. Eine Schlammzufuhr zu den Auslass kanälen 15 wird aber, sofern er unter Druck steht, von einem Verteilkörper 19 verhindert, welcher gleitbar im Ab lassventil 10 angeordnet und mit einem mittigen Zapfen 20 versehen ist, der in eine mittige, zum Auslasskanal 15 füh rende Öffnung 21 des Querglieds 14 eingreift. Verschleissfeste Ringe 22 und 23 aus Wolframkarbid sind am Ventilkörper 19 oder am Querglied 14 vorgesehen, welche bei ge schlossenem Ablassventil ineinander eingreifen. Ferner ist ein Dichtungsring 24 aus Gummi vorgesehen, welcher gegen den Ring 23 abdichtet und rund um den Zapfen 20 angeord net ist.
Der Ventilkörper 19 wird von einer schraubenlinien förmigen, zusammenrückbaren Feder 25 nach oben gegen das Ablassventil 10 gedrückt, derart, dass es dann automatisch öffnet, wenn der Schlamm nicht mehr unter Druck steht, jedoch gegen die Kraft der Feder 25 von unter Druck stehendem Schlamm in seiner geschlossenen Lage gehalten wird. Von Flügeln 26 begrenzte Ventilkanäle ermöglichen den Durchfluss des unter Druck stehenden Schlamms durch das Ventil sowie durch Kanäle 18 im Querglied 14 des Ablassventilkörpers.
Der nächste Teil des Rotors unterhalb des Ablassventils 10 ist eine Zylinder- und Kolbenanordnung für die Zufuhr von Schmiermitteln, insbesondere Fett, zu den Dichtungen und Lagern weiter unten im Motor vorgesehen. Der Zylinder 27 dieser Anordnung, von welcher nur ein kleiner Teil in Fig. 1A gezeigt ist, ist an seinem unteren Ende an einer Hülse 28 befestigt, mit welcher der Zylinder mittels Gewinde 29 verbunden ist. Die Hülse 28 ist mit radial verlaufenden Rippen 30 versehen, welche gegen die Innenseite des Gehäuses 1 abgrenzen, um sowohl den Zylinder 27 als auch andere Teile zu zentrieren, welche innerhalb der Hülse angeord net und in der Folge beschrieben sind. Der Zylinder 27 ist oben mit einem daran angeschweissten Kegelstück 31 versehen, welches einen axial verlaufenden Kanal 32 für den Durchfluss des Schlamms in den Zylinder aufweist.
Im Zylinder befindet sich ein Kolben 33, welcher mittels des Druckschlamms nach unten bewegbar ist. Im Betrieb ist der ganze Zylinderraum 34 unterhalb des Kolbens 33 mit Fett gefüllt, welches den Dichtungen und den Lagern des Motors, wie bereits erwähnt, unter Druck zugeführt wird.
Der Zylinder 27 wird von einer Sperrhülse 35 in seiner Lage gehalten, welche in das Gehäuse eingeschraubt ist und mit dem Kegelstück 31 einen Teil bildet, und zwar mittels eines Übergangsringes 36, der mit dem Kegelstück 31 zusammen einen Schlammkanal begrenzt. Die Sperrhülse 35 ist mittels eines Linksgewindes am Gehäuse befestigt, falls der Zylinder 27 im Betrieb dazu neigen sollte, von oben gesehen, im Uhrzeigersinn zu drehen.
Die Hülse 28, an welcher der Zylinder 27 montiert ist, nimmt das obere Ende des Rotors auf und zentriert es in Form einer Welle 37, welche eine obere Endkappe 38 aufweist, die mittels eines Gewindes 39 an der Welle befestigt ist. Die Endkappe 38 ist mit einer Öffnung 40 für die Zufuhr von Druckfett vom Zylinderraum 34 in das Bohrloch 41 der Welle 37 versehen. Druckfett kann ferner in den engen ringförmigen Spalt zwischen der äusseren Zylinderfläche der Endkappe 38 und der Innenfläche der Hülse 28 durchgelassen werden, um das Lager für das obere Ende der Welle 37 zu schmieren, welche in der Hülse 28 angeordnet ist. Dieses Lager 42 ist als gehärtete Stahlhülse ausgebildet, welche in einer Vertiefung in der Hülse 28 montiert und an einer Lagerhülse 43 drehbar angeordnet ist, welche an der Welle 37 mittels der Endkappe 38 befestigt ist.
Eine Dichtung 44 (siehe auch Fig. 2) ist zwischen einer Schulter der Hülse 28 und einer Sperrmutter 46 mittels eines Schraubengewindes im unteren Ende der Hülse 28 befestigt und wird von zwei Paketen 47 mit Innen- und Aussenringen 48 und 49 mit Spalten gebildet. Jedes Paket 47 enthält acht Spaltringpaare und die Ringe eines jeden Paares bilden eine enge Dichtung, der eine innerhalb des anderen (siehe Fig. 2). Die Spalten 50 der Ringe eines jeden Paares sind am Umfang leicht voneinander entfernt und die zwei Ringe sind an den einander anliegenden Flächen 51 miteinander verbunden, welche sich zwischen den Spalten erstrecken. Die Verbindung zwischen den Ringen kann durch Hartlöten, Schweissen oder Löten, je nach dem Material aus welchem die Ringe bestehen, hergestellt werden. Die aufeinanderfolgenden Ringpaare eines jeden Pakets sind mit versetzten Spalten 50 versehen.
In der in Fig. 2 gezeigten Anordnung sind die Spalte 50b des zweiten Ringpaares von oben um 1800 von den Spalten 50 des oberen Paares versetzt, während die Spalten der restlichen Ringpaare, wie angegeben, mittels aufeinanderfolgender Bezugsziffer 50c bis 50h in Fig. 2 angeordnet sind.
Jeder Aussenring 49 ist mit einem radialen Vorsprung 52 (Fig. 2) versehen, welcher in einen von sechs Kerbnuten 53 eingreift, die in der Hülse 28 derart ausgebildet ist, dass alle Ringe 48 und 49 gegen eine Drehbewegung festgehalten sind. Die Pakete 47 sind von Abstandringen 54 getrennt, welche auf einer an der Welle 37 befestigten Hülse 55 aufliegt, und alle Abstandringe 54 und Dichtungsringpakete 47 werden mittels Federringen 56 zusammengedrückt. Die inneren Spaltringe 48 eines jeden Pakets werden gegen die Hülse 55 an der Welle 37 gedrückt und bilden mit der Hülse 55 zusammen eine Dichtung mittels Fett, welches der Aussenseite der Lagerhülse 43 zugeführt wird. Ein Abstandstück 57 ist zwischen dem obersten Federstahlring und der Schulter 45 der Hülse 28 angeordnet.
Der Zweck der Dichtung 44 besteht darin, Druckschlamm aus dem Lager 42 auszuschliessen. Der Schlamm fliesst vom Oberteil des Zylinders 27 durch den ringförmigen Raum hinunter, welcher vom Zylinder und vom Gehäuse 1 begrenzt ist, und dann weiter durch die von den Rippen 30 an der Hülse 28 begrenzten Kanäle. Wenn der Schlamm das untere Ende der Sperrmutter 46 an der Hülse 28 erreicht, wird der Fluss in zwei Teilen aufgeteilt, wobei ein Teil des Schlamms durch einen ringförmigen Kanal 58 in eine zweite Bohrung 59 in der Welle 37 fliesst und der übrigbleibende Teil des Schlammflusses rund um die Aussenseite der Antriebsvorrichtung des Rotors fliesst, damit er in der unten beschriebenen Weise angetrieben wird.
Nachfolgend wird die Antriebsvorrichtung näher beschrieben, von welcher der untere Teil der Welle 37 einen oberen Körperteil bildet, während ein unterer Körperteil von einem Rohr 60 gebildet wird, welches mittels Gewinde 61 am unteren Ende der Welle 37 befestigt ist. Die Ausführung der Antriebsvorrichtung ist ferner in den Fig. 3 bis 10 im Querschnitt gezeigt, wobei die Fig. 5 und 6 die gleiche Ebene zeigen. In Fig. 5 sind die Antriebsschaufeln, welche weiter unten beschrieben sind, in ihren Ruhelagen gezeigt, und Fig.
6 zeigt die Schaufeln in denjenigen Stellungen, welche sie dann einnehmen, wenn der Rotor dreht. Die Welle 37 und das Rohr 60 zusammen mit den übrigen von ihnen getragenen Elementen bilden den oberen Teil des Rotors des hydraulischen Motors, wobei der Stator vom Gehäuse 1 gebildet wird.
Ein Ring mit sechs Schaufeln 62, welche als Antriebsglieder für den Rotor dienen, sind rund um das untere Ende der Welle 37 angeordnet. Jede Schaufel 62 ist mit einem zylindrischen Oberteil versehen, welcher eine drehbare Stiftschraube 63 trägt, die in einem der sechs Löcher in einem oberen Haltering 64 für Schaufeln angeordnet ist. Der Haltering 64 ist an der Welle 37 befestigt, mittels eines O-Ringes 65 gegen diese abgedichtet und mittels sechs Allen-Schrauben 66 in einer Hülse 67 befestigt, welche mittels Keilen 68 an der Welle 37 fest montiert ist. Die Schrauben 66 halten somit den Haltering 64 gegen eine Drehbewegung an der Welle 37 fest.
Nichtsdestoweniger sind die Kanäle in der Hülse 67, durch welche die Schrauben 66 gehen, am Umfang etwas vergrössert, damit eine genaue Anordnung der Schaufeln am Umfang und somit eine genaue Einstellung deren unteren Enden im weiteren Einbaumittel, wie weiter unten beschrieben, möglich ist. Eine mit einem eingesetzten Verschleissring 70 versehene Mutter 69 ist oben am Haltering 64 eingeschraubt und mittels eines Verriegelungsringes 71 in der richtigen Lage festgehalten, welcher, ähnlich wie die Mutter 69 an der Welle 37 festgeschraubt ist. Eine ringförmige Gummidichtung 72, welche mit bogenförmigen Ausschnitten zur Aufnahme der Stiftschrauben 63 versehen ist, ist in die untere Bodenfläche des Halteringes 64 eingesetzt.
Daraus geht hervor, dass die Schaufeln 62 an ihren oberen Enden im Haltering 64 drehbar sind und zwar mittels der Stiftschrauben 63. An den unteren Enden sind dagegen die Schaufeln in einer im folgenden zu beschreibenden Weise festgehalten.
Eine zur Befestigung dienende Torsionswelle 73 bildet mit dem unteren Ende jeder einzelnen Schaufel 62 eine Einheit und ist in einem von sechs Schlitzen 74 in einem Ring in der äusseren Fläche des unteren Rohrs 60 der Antriebsvorrichtung eingesetzt. Die untersten Endteile der Torsionswellen sind in Löcher 75 im Rohr 60 zur Anordnung der Wellen am Umfang angeordnet. Die Torsionswellen 73 sind nicht für eine Drehbewegung vorgesehen, wenn der Motor angetrieben wird, sondern zum Verdrehen bestimmt, damit eine begrenzte Drehbewegung der Schaufeln 62 möglich ist. Jede Torsionswelle wird deshalb dadurch gegen eine Drehbewegung festgehalten, dass ein sektorförmiger Teil 76 derselben (siehe Fig. 9) in eine entsprechend ausgebildete Öffnung eingreift, welche im Schlitz 74 im Rohr 60 vorgesehen ist.
Wie in der Folge erläutert, werden die Schaufeln (von oben gesehen) im Uhrzeigersinn angetrieben, wobei ein leicht austauschbares Verschleissstück 77 an der richtigen Seite des sektorförmigen Teils 76 der Torsionswelle 73 im Schlitz zur Aufnahme des Rohrs 60 vorgesehen ist. Somit wird jede Torsionswelle an ihrem unteren Ende gegen eine Drehbewegung festgehalten, jedoch kann sie sich über ihre Gesamtlänge zwischen der Zone des Querschnittes in Fig. 9 und dem unteren Ende der betreffenden Schaufel 62 verdrehen.
Dadurch ist die bereits erwähnte Drehbewegung der Schaufel um die Achse der Torsionswelle möglich. Die Stiftschrauben 63 an den oberen Enden der Schaufeln verlaufen koaxial zu den Torsionswellen 73 und diese Axe ist die bereits erwähnte Verdrehachse der Schaufeln.
Der Querschnitt längs des grössten Teils der Länge der einzelnen Schaufeln 62 ist in Fig. 3 und 4 gezeigt und die Verdrehachsen 78 der Schaufeln sind ebenfalls darin enthalten.
Die Schaufeln sind in Fig. 4 und 5 in ihren Ruhelagen gezeigt, d. h., wenn der Rotor still steht. Wenn sich aber die Schaufeln im Betrieb im Uhrzeigersinn zur Bewegung des Rotors drehen, werden sie in die in den Fig. 3 und 6 gezeigten Lage, in welcher ihre Innenfläche 79 genau gegenüber der Fläche der Welle 37 anliegt, versetzt.
Nachfolgend wird die Art, in welcher der unter Druck stehende Schlamm den Rotor antreibt, erläutert. Wie bereits erwähnt, findet ein Schlammfluss an der Aussenseite des Rotors, längs des oberen Endbefestigungen der Schaufeln 62 statt, derart, dass Druckschlamm im Ringraum 80 zwischen den Aussenflächen 81 (Fig. 3 und 4) der Schaufeln und der Innenseite des Gehäuses 1 vorhanden ist. Der Schlammdruck bewirkt von oben gesehen, eine Drehung der Schaufeln im Uhrzeigersinn, wobei gleichzeitig eine Verdrehung der Torsionswelle 73 in der vorangehend beschriebenen Art stattfindet. Ein über einen vorbestimmten Wert hinausgehender Schlammdruck bewirkt, dass die Schaufeln in die in Fig. 3 und 6 gezeigte Lage gebracht werden, wobei diese Innenflächen 79 an den Wellen 37 anliegen.
In diesem Zustand wird die in den Torsionswellen 73 erzeugte Torsion auf das Rohr 60 übertragen, und zwar über die sektorförmigen Teile 76 und die Verschleissstücke 77, damit der Rotor im Uhrzeigersinn angetrieben wird. Die Schaufeln sind mit Dichtungsstreifen 82 aus Gummi versehen, welche in ihre Endflächen 83 eingesetzt und zwischen den betreffenden Schaufeln und den Rückseiten 84 der benachbarten Schaufeln eingepresst sind, wenn die Schaufeln vom Schlammdruck nach innen gedreht werden. Dadurch wird erreicht, dass Schlamm aus den Räumen 85 (Fig. 4 und 5), welche am Anfang zwischen den Innenflächen 79 der Schaufeln und der Welle 37 vorhanden sind, ferngehalten wird.
Eine Lüftungsöffnung 86 verbindet die Räume 85 hinter den Schaufeln mit einer Zone mit reduziertem Schlammdruck unterhalb des Antriebes, damit das Vakuum, welches dann entsteht, wenn der Druck auf den Schlamm nicht mehr ausgeübt wird, aufgehoben wird, und somit die Schaufeln öffnen können, damit der Motor anhält.
Ein derartiger Lüftungskanal verhindert ferner, dass sich im Schlamm hinter den Schaufeln ein hoher Druck aufbaut, sofern die Dichtungsstreifen 82 nicht ganz dicht sind, damit der erforderliche Druckunterschied über die Schaufeln im Betrieb aufrechterhalten werden kann.
Es sind ferner Mittel vorgesehen, damit der unter Druck stehende Schlamm in beschränktem Masse aus.dem Ring- raum 80 entweichen kann, welcher die Schaufeln dann umgibt, wenn der Rotor dreht. Deshalb ist jede Schaufel an ihrem unteren Ende mit einer sich radial nach aussen erstrekkenden Stufe 87 versehen, welche mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden Schlitz 88 versehen ist. In diesem Schlitz 88 ist ein Einsatz 89 aus Wolframkarbid vorgesehen, welcher einen begrenzten Kanal 90 für den Schlammdurchfluss aufweist. Der Schlitz 88 erstreckt sich ein Stückchen in die Aussenfläche 81 der Schaufel, derart, dass der Einsatz 89 etwas nach innen versetzt ist, relativ zur Aussenfläche 81 (siehe Fig. 3 und 4).
Wenn die Schaufeln im Betrieb nach innen rotieren, werden die einzelnen Kanäle 90 allmählich mit einem Ring von sechs Kanälen 91 ausgerichtet, welche vom Rohr 60 begrenzt sind und an ihren äusseren Enden mittels Streifen 90 (Fig. 1 und 8) abgedichtet sind. Insbesondere aus den Fig. 1 und 7 geht hervor, dass die Einlässe zu den Kanälen 91 des Rohres 60 von Einsätzen 93 aus Wolframkarbid begrenzt sind und dann in schräg zur Achse verlaufenden Kanälen 94 übergehen, damit der Schlamm in das Innere des Rohres 60, d. h. zu dessen Mittelraum 95, wie in den Fig. 1 und 9 gezeigt, fliessen kann. Ein Dichtungsring 96 aus Gummi ist in die obere Fläche des rohrförmigen Körpers 60 eingesetzt und dichtet gegen die unteren Flächen der Schaufeln 62 ab.
Der zum Drehen des Rotors verwendete Schlamm verliert nur einen kleinen Teil seines Druckes bei diesem Vor gang, und zwar bei der gezeigten Ausführung etwa 17,5 kg/cm2. Nachdem der Schlamm seine Antriebsaufgabe erfüllt hat, fliesst er frei durch einen mittigen Kanal über die restliche Länge des Motors bis zum Bohrkopf, wo er nach herkömmlicher Art zum Kühlen und Spühlen verwendet wird. Die in dieser Weise erzeugte Drehzahl des Rotors und somit des Bohrkopfes beträgt etwa 200 bis 250 U/min., welche somit der erwünschten und normalen Drehgeschwindig- keit einer Einrichtung dieser Art entspricht.
Gleichzeitig ist aber viel von der aus dem Schlauch gewonnenen Leistung nicht verloren gegangen, sondern in Drehmoment umgewandelt, so dass der Bohrkopf nicht nur mit der gewünschten Geschwindigkeit rotiert, sondern auch mit der notwendigen Leistung versehen ist.
Die restliche Länge des Rotors unterhalb des gerade beschriebenen Antriebes ist mittels abgedichteter Lager im Gehäuse 1 drehbar angeordnet. Dieser untere Teil des Rotors wird hauptsächlich von der rohrförmigen Rotorwelle 5 gebildet, welche wie bereits erwähnt, mittels sechs Antriebsstäben 6 am unteren Ende des Antriebes befestigt ist, und zwar am unteren Ende des rohrförmigen Körpers 60, welcher den unteren Teil des Antriebes bildet. Ferner wird die Lage des Körpers 60 bezüglich des oberen Endes der Rotorwelle 5 mittels einer Sperrmutter 97 gehalten, welche auf die Rotorwelle 5 aufgeschraubt ist und einen Ring von sechs Allen Schrauben 98 trägt, welche in Gewindelöcher im oberen Ende des Rohres 60 eingeschraubt sind, damit er gegen eine Drehbewegung relativ zur Rotorwelle gehalten wird.
Das obere Ende der Rotorwelle 5 wird dadurch gegen eine Innenschulter 99 des Rohres 60 festgehalten, wobei an dieser Stelle ein Dichtungsring 100 aus Gummi vorgesehen ist.
Weil der Antrieb selbstverständlich im Gehäuse 1 drehbar angeordnet ist, besteht ein Ringkanal 101 zwischen dem unteren Endbereich des Antriebes und der Innenseite des Gehäuses, und im Betriebszustand befindet sich unter Druck stehender Schlamm in diesem Kanal. Dieser Schlamm, welcher nicht durch die begrenzten Kanäle 90 der Schaufeln 62 geflossen ist, hat den gleichen Druck, wenn er in den Oberteil des Motors eintritt, und dieser Druck wird nachstehend als Oberdruck bezeichnet. Dieser Schlamm füllt dann einen weiteren Ringkanal 102 zwischen einer langgestreckten, auf der Rotorwelle 5 aufgeschraubten Mutter 103 und der Innenseite eines Verbindungsgliedes 104, dessen Funktion darin besteht, die oberen und die unteren Teile des äusseren Gehäuses 1 miteinander zu verbinden.
Dieser Oberdruck-Schlamm erreicht nachher das obere Ende einer Dichtung 105, deren Zweck darin besteht, Schlamm von den Radiallagern und den Drucklagern der Rotorwelle fernzuhalten. Die Dichtung 105 ist von ähnlicher Ausführung wie die vorangehend beschriebene Dichtung 44.
Durch die Aufteilung des Gehäuses 1 in zwei Teile, welche mittels des Verbindungsgliedes 104 miteinander verbunden sind, kann der Oberteil leicht entfernt werden. Somit ist der Antrieb zugänglich und kann aus der Rotorwelle 5 herausgenommen werden.
Die Konstruktion und die Schmierart für die Radial- und die Drucklager der Rotorwelle 5 werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher beschrieben.
Es wurde bereits erwähnt, dass die Welle 37, welche den Oberteil des Körpers des Antriebes bildet, mit zwei Bohrungen 41 und 59 versehen ist. Diesen Bohrungen 41 bzw. 59 wird Fett unter Oberdruck vom Zylinder 27 bzw. Druckschlamm aus dem Oberteil zugeführt. Ein Rohr 106 ist am unteren Ende der Bohrung 41 in der Welle 37 befestigt und erstreckt sich gerade durch das Innere der Rotorwelle 5 zu deren unterem Ende. In ähnlicher Weise ist am unteren Ende der Bohrung 59 für den Schlamm in der Welle 37 ein Rohr 107 befestigt, welches sich zum unteren Ende der Rotorwelle 5 erstreckt. Der Zweck des Rohres 106 besteht darin, den Radial- und Drucklagern Fett zuzuführen, während die Zufuhr des Druckschlamms durch das Rohr 107 zum unteren Ende des Motors bezweckt, Schmiermittelausflüsse aus den Lagern an den betreffenden unteren Enden zu verhindern, und zwar in der nachfolgend beschriebenen Art.
Das Lager für die Rotorwelle 5 umfasst ein Hauptachsialdrucklager 108, zwei unter ihm angeordnete Radialgleitlager 109 und 110 sowie ein drittes Radialgleitlager 111 oberhalb desselben. Die bereits erwähnte, oberhalb des Radialgleitlagers 111 angeordnete Dichtung 105 dient dazu, das Eindringen des Oberdruck-Schlamms zum oberen Ende des Lagers zu verhindern. Eine zweite, derjenigen mit 44 bezeichnete, ähnliche Dichtung 112 dient dazu, das Eindringen von Schlamm in das untere Ende des Lagers zu verhindern.
Das Drucklager 108 ist von derjenigen Art, welche in der US-Patentschrift Nr. 3 630 634 beschrieben ist und umfasst einen Stapel von Innen- und Aussenringen 113 und 114, welche an der Rotorwelle 5 bzw. am Gehäuse 1 befestigt sind und bogenförmige Ringeckflächen aufweisen, die sechs in achsialer Richtung auseinanderliegende Spuren für Lagerkugeln 115 aufweisen.
Dabei ist die Anordnung derart, dass der Druck von der Rotorwelle 5 auf das Gehäuse 1 mittels Schubspannung in den Lagerkugeln übertragen wird. Benachbarte Paare von spurbegrenzenden Innen- und Aussenringen 113 und 114 sind von Abstandringen 116 voneinander getrennt, welche derart bemessen sind, dass die Breite der einzelnen Kugelspuren leicht grösser sind als der Kugeldurchmesser. Deshalb werden die Kugeln eines jeden Satzes während der Druckanwendung auf die Lager zwischen einem Paar voneinander diametral gegenüberliegenden, spurbegrenzenden Ringen festgeklemmt, während sie vom anderen Paar frei sind.
Jeder spurbegrenzende Innenring 113 dreht in und ist in Berührung mit anschliessenden Aussenringen 114, damit das Lager zusätzlich zu seiner Hauptfunktion als Drucklager auch noch eine Aufgabe als Traglager erfüllen kann.
Jedes der Radiallager 109 bis 111 umfasst eine Lagerhülse aus gehärtetem Stahl, welche am Gehäuse 1 befestigt und drehbar an einer von einer Reihe von Lagerhülsen 117 angeordnet sind, die an der Rotorwelle 5 montiert und mittels der erwähnten länglichen Mutter 103 daran befestigt ist.
Die Lagerhülse des Radiallagers 111 wird in ihrer Lage von einer Sperrhülse 118 gehalten, die mittels eines Schraubengewindes 119 am Gehäuse 1 befestigt ist. Die Sperrhülse 118 greift auch in den Oberteil eines Stapels von Aussenringen 114 des Drucklagers 108 ein, damit es im Gehäuse 1 gehalten wird.
Die zwei unteren Radiallager 109 und 110 umfassen ihrerseits Lagerhülsen aus gehärtetem Stahl, welche am Gehäuse 1 innerhalb eines Paares von Hülsen 120 und 121 befestigt sind. Diese Hülsen 120, 121 sind zwischen dem unteren Ende des Stapels aus Aussenringen 114 des Drucklagers und die Endarmatur 4 des Gehäuses 1 angeordnet und sind mittels eines O-Ringes 122 gegen dieses abgedichtet. Die untere Dichtung 112 des Lagers befindet sich innerhalb der Endarmatur 4.
Das Fett zum Schmieren des Lagers wird von einem Rotor, durch eine daran vorhandene Armatur 123, ferner durch drei Kanäle 124, welche vom unteren Ende der Rotorwelle 5 und vom untersten der Hülsen 117 begrenzt wird, und dann weiter zu einem Ringkanal 125 geführt, welcher in einem Dichtungsring 126 am oberen Ende der Dichtung 112 vorgesehen ist. Von diesem Punkt weg kann das Fett in zwei Richtungen fliessen. Erstens fliesst es rund um die Aussenseite der Dichtung 112 bis zu dessen unterem Ende und zweitens strömt es aufwärts durch das gesamte Lager zum Oberteil der oberen Dichtung 105.
Es wird darauf hingewiesen, dass das auf diese Weise zugeführte Fett unter Oberdruck steht, weil es von unter Oberdruck stehendem Schlamm, welcher dem Kolben 33 am Oberteil des Gesteinsbohraggregates zugeführt wird, unter Druck gesetzt wird. Dasjenige Fett, welches den Oberteil der Dichtung 105 des Lagers erreicht, steht deshalb unter dem gleichen Druck wie der Schlamm, der wie bereits erwähnt, dem Oberteil der betreffenden Dichtung über den Ringkanal 102 zugeleitet wird. Deshalb besteht keine bedeutende Tendenz bei dem unter Oberdruck stehenden Schlamm am oberen Ende der Dichtung 105 in diese und somit in das Lager einzudringen. Im Verbindungsglied 104 ist ein Lüftungsstopfen 127 vorgesehen, und zwar benachbart zum oberen Ende der Dichtung 105, damit der Motor mit Fett ganz gefüllt werden kann.
Der Zweck der Zufuhr von Oberdruck-Schlamm zum unteren Ende des Motors durch das Rohr 107 besteht darin, ein Fettleck durch die untere Dichtung 112 nach aussen praktisch zu verhindern. Dieser Schlamm strömt durch die Endarmatur 128 des Rohres 107, und einen Kanal 129 in der Endarmatur 8 der Rotorwelle zu einem Kanal und der untersten Hülse 117, und von dort zu einer ringförmigen Rille 131, welche von der Lagerhülse 117 innerhalb der Dichtung 112 begrenzt ist. Deshalb wird Oberdruck-Schlamm zu einem Punkt in der Dichtung 112, zwischen deren Enden geführt, und von diesem Punkt aus kann er ausserhalb des Motors, längs der Innenseite der Dichtung, zu einem Auslass 132 ausfliessen. Dieses Leck kommt dadurch zustande dass der Druck des längs der Aussenseite des Motors fliessenden Schlamms etwa 70 kg/cm2 kleiner ist als der Oberdruck.
Da der Schlamm, welcher der Innenseite der Dichtung 112 zugeführt wird, den gleichen Oberdruck aufweist, wie das dem oberen Ende der Dichtung zugeführte Fett, wird es eine Fettleckage durch die Dichtung weitgehend verhindern und somit besteht praktisch der gesamte Ausfluss aus leicht ersetzbarem Schlamm.
Für die Fettzufuhr zu den Kanälen 124 zum Wiederauffüllen des Motors, wenn er zum Auswechseln des Bohrkopfes aus dem Bohrloch herausgezogen wird, steht ein Zapfen 133 zur Verfügung. Die Endarmaturen 123 und 128 der Rohre 106 und 107 werden von einer Sperrhülse 134 in ihren Lagen gehalten, welche mittels Schraubengewinde in der Endarmatur 8 der Rotorwelle befestigt ist. An den beiden Endarmaturen 123 und 128, welche sich verformen, wenn die Hülse 134 zum Abdichten gegen die Endarmatur 8 angezogen wird, befinden sich Dichtungsansätze 135.
The invention relates to a hydraulically driven rock drilling unit, with a housing that can be connected to a drill string and a hollow rotor shaft arranged therein in bearings, which can be connected to a drill head to transmit a torque, and also with a sealing device arranged between the rotor shaft and the housing to prevent the Penetration of drilling mud into the bearings, with means for exerting the pressure of the drilling mud on the lubricant present in the bearings, the pressure level corresponding to that of the drilling mud supplied to the motor.
Typically, rock drilling is accomplished using a derrick which is adapted to rotate a string of interconnected tubing which extends downward from the surface of the earth and at the lowermost end of which the drill head is attached. The rock splinters and particles produced by drilling the bottom of the hole are washed up to the surface through the annular space between the drill string and the borehole wall. A liquid is used as the conveying means, which is guided down through the pipe string to the end of the hole. This liquid is usually called mud or drilling mud and also has the function of cooling the drill head.
The torque required to rotate the drill head is very high and is usually transmitted through the drill string from the derrick to the drill head. The energy stored in the drill string during the transmission of this torque is therefore important, especially when the boreholes are deep. In addition, difficulties arise easily when the drill head penetrates various layers, which lead to fluctuations in the required torque. Furthermore, the transmission of the required torque from the drilling tower to the drilling head requires that the individual tubes of the drill string have a certain wall thickness and rigidity and are therefore heavy and expensive.
This requirement regarding the wall thickness of the individual tubes of the drill string is in contrast to the other requirements for the Roh ren, namely that they have a large internal cross-section so that they can let through large amounts of mud to the lower end of the borehole, because only then can proper cooling of the drill head and a perfect flushing effect are possible.
Furthermore, if a straight borehole is to be created, the tubes of the drill string must be straight and precise so that the torque is transmitted without deviations in direction and thus not deviated from the desired drilling direction. On the other hand, it is difficult, if not impossible, to make a borehole with a certain deviation from the rectilinear direction.
It has therefore been found that many disadvantages and design compromises in drilling devices of the type described can be eliminated by generating the required torque by means of a device arranged in the vicinity of the drilling head which is driven by means supplied to it. The so-called drilling turbine is a known embodiment of such a device. The drilling turbine includes a hydraulic, turbine-type motor which is attached to the lower end of the drill string and is driven by mud which is supplied to it through the drill string. A number of designs for drilling turbines already exist, but no design has yet been created which could, in practice, compete with the designs described above.
One reason for the inferiority is that the mud either generates too high a speed or, if it is intentionally reduced, too little torque.
Drilling mud is usually a highly emery solution or suspension of sand and rock particles.
The mud is continuously led through the drill string, the borehole and a sedimentation tank in which the larger chunks settle. This strongly emery-like liquid is of course harmful to all surfaces moving relative to one another, between which it can penetrate. In addition, as already mentioned, the mud at the bottom of a borehole is under very high hydrostatic pressure, which is why the ability of the mud to penetrate into the bearings and between parts moving relative to one another is very high. The bearings of a hydraulic motor for a drilling tool, therefore, tend to be contaminated with the highly emery-like mud which is used to drive the rock drilling assembly.
Because these bearings are subjected to heavy loads and load changes, it is evident that bearing defects were an important reason for the unreliability of the previous drilling turbines.
The purpose of the invention is to create a hydraulically driven rock drilling unit of the type mentioned at the beginning, which does not have the disadvantages of existing designs.
The hydraulically driven rock drilling unit according to the invention of the type mentioned at the outset is characterized in that lines for the drilling mud with the mentioned pressure head through the rotor shaft to the sealing device below the bearings are provided as the means mentioned, so that the drilling mud acts on the sealing device in the lower end zone.
In a preferred embodiment it is provided that the sealing device includes inner and outer sealing elements, and the inflow path serves to guide the drilling mud to a point between the outer and the inner sealing element, and that a drainage path for the drilling mud from the sealing device out of the housing is provided is.
An embodiment of the rock drilling unit according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. They represent:
1A to 1D show an axial section through a quarter of the length of a hydraulic rock drilling unit; and
2 and 10 show nine cross-sections through the rock drilling unit according to FIG. 1, on the section lines II to X marked with the corresponding Roman numerals.
The design of the rock drilling unit will first be described with reference to FIGS. 1A to 1D.
The rock drilling unit comprises a tubular housing 1 which extends from one end to the other of the rock drilling unit and has an internally threaded fitting 2 at its upper end. The fitting 2 is intended for attachment to the lower pipe of a drill string. The lower end of the housing 1, which is stationary and serves as a stator, is provided with an internal thread 3 for a fitting 4.
A rotor is rotatably arranged in the housing 1 and comprises a hollow rotor shaft 5, which is arranged over most of its length in a sealed bearing.
The upper end of the rotor shaft 5 is fastened to the rotor by means of six drive spindles 6, while the lower end of the rotor shaft 5 has a radially enlarged part 7 which merges into an end fitting 8 with an API internal thread 9 for fastening a drill head (not shown).
In the following, the design of the rock drilling unit is described in detail, from top to bottom, i. H. from the left in Fig. 1A.
The upper fitting 2 contains a drain valve 10 which is provided for attachment to the lower pipe of the drill string and which can be operated automatically and as an outlet for the
Mud column in the drill string is used when the mud is no longer under pressure, e.g. B. when the drill string is withdrawn from the borehole. The drain valve
10 comprises a body 11 which is held in place in the fitting 2 by means of a locking nut 12 and is tightly connected to the inside of the fitting 2 by means of a sealing ring 13. The body 11 includes a transverse part 14, wet cher has three outlet channels 15 for the sludge. The output channels 15 lead over an annular recess
16 in the inner wall surface of the fitting 2 to an output opening 17 which extends through this wall.
Of the
Cross part 14 of the drain valve is also provided with three continuously open channels 18 for the flow of pressurized sludge. A supply of sludge to the outlet channels 15 is, however, if it is under pressure, prevented by a distributor body 19, which is slidably disposed in the outlet valve 10 and is provided with a central pin 20 which leads into a central opening 21 leading to the outlet channel 15 of the cross member 14 engages. Wear-resistant rings 22 and 23 made of tungsten carbide are provided on the valve body 19 or on the cross member 14, which mesh with one another when the drain valve is closed. Furthermore, a sealing ring 24 made of rubber is provided, which seals against the ring 23 and around the pin 20 is angeord net.
The valve body 19 is pressed upwards against the drain valve 10 by a helical, compressible spring 25, in such a way that it opens automatically when the sludge is no longer under pressure, but against the force of the spring 25 of pressurized sludge in its closed position is kept. Valve passages delimited by vanes 26 allow the pressurized sludge to flow through the valve and through passages 18 in cross member 14 of the drain valve body.
The next part of the rotor below the drain valve 10 is a cylinder and piston arrangement for the supply of lubricants, in particular grease, to the seals and bearings further down in the engine. The cylinder 27 of this arrangement, only a small part of which is shown in FIG. 1A, is attached at its lower end to a sleeve 28 to which the cylinder is connected by means of thread 29. The sleeve 28 is provided with radially extending ribs 30 which delimit the inside of the housing 1 in order to center both the cylinder 27 and other parts which are net angeord within the sleeve and are described below. The cylinder 27 is provided at the top with a conical piece 31 welded to it, which has an axially extending channel 32 for the flow of the sludge into the cylinder.
In the cylinder there is a piston 33 which can be moved downwards by means of the pressure sludge. In operation, the entire cylinder space 34 below the piston 33 is filled with grease, which, as already mentioned, is fed under pressure to the seals and the bearings of the engine.
The cylinder 27 is held in its position by a locking sleeve 35 which is screwed into the housing and forms a part with the cone piece 31 by means of a transition ring 36 which, together with the cone piece 31, delimits a mud channel. The locking sleeve 35 is fastened to the housing by means of a left-hand thread, in the event that the cylinder 27 should tend during operation to rotate clockwise when viewed from above.
The sleeve 28, on which the cylinder 27 is mounted, receives the upper end of the rotor and centers it in the form of a shaft 37 which has an upper end cap 38 which is fastened to the shaft by means of a thread 39. The end cap 38 is provided with an opening 40 for the supply of pressure grease from the cylinder space 34 into the bore hole 41 of the shaft 37. Compressive grease can also be passed into the narrow annular gap between the outer cylindrical surface of the end cap 38 and the inner surface of the sleeve 28 in order to lubricate the bearing for the upper end of the shaft 37 which is arranged in the sleeve 28. This bearing 42 is designed as a hardened steel sleeve which is mounted in a recess in the sleeve 28 and is rotatably arranged on a bearing sleeve 43 which is fastened to the shaft 37 by means of the end cap 38.
A seal 44 (see also FIG. 2) is fastened between a shoulder of the sleeve 28 and a locking nut 46 by means of a screw thread in the lower end of the sleeve 28 and is formed by two packages 47 with inner and outer rings 48 and 49 with gaps. Each package 47 contains eight pairs of split rings, and the rings of each pair form a tight seal, one within the other (see Figure 2). The gaps 50 of the rings of each pair are slightly circumferentially spaced from one another and the two rings are connected to one another at the abutting surfaces 51 which extend between the gaps. The connection between the rings can be made by brazing, welding or soldering, depending on the material from which the rings are made. The successive pairs of rings of each packet are provided with staggered columns 50.
In the arrangement shown in FIG. 2, the columns 50b of the second ring pair are offset from above by 1800 from the columns 50 of the upper pair, while the columns of the remaining ring pairs are arranged, as indicated, by means of successive reference numbers 50c to 50h in FIG .
Each outer ring 49 is provided with a radial projection 52 (FIG. 2) which engages in one of six notch grooves 53 which are formed in the sleeve 28 in such a way that all rings 48 and 49 are held against a rotational movement. The packets 47 are separated by spacer rings 54, which rests on a sleeve 55 fastened to the shaft 37, and all spacer rings 54 and sealing ring packets 47 are pressed together by means of spring washers 56. The inner split rings 48 of each package are pressed against the sleeve 55 on the shaft 37 and together with the sleeve 55 form a seal by means of grease which is fed to the outside of the bearing sleeve 43. A spacer 57 is arranged between the uppermost spring steel ring and the shoulder 45 of the sleeve 28.
The purpose of seal 44 is to exclude pressure sludge from bearing 42. The sludge flows from the upper part of the cylinder 27 down through the annular space which is delimited by the cylinder and the housing 1, and then further through the channels delimited by the ribs 30 on the sleeve 28. When the mud reaches the lower end of lock nut 46 on sleeve 28, the flow is split into two parts, with part of the mud flowing through an annular channel 58 into a second bore 59 in shaft 37 and the remainder of the mud flow being round flows around the outside of the drive mechanism of the rotor to be driven in the manner described below.
The drive device is described in more detail below, of which the lower part of the shaft 37 forms an upper body part, while a lower body part is formed by a tube 60 which is fastened to the lower end of the shaft 37 by means of a thread 61. The embodiment of the drive device is also shown in cross section in FIGS. 3 to 10, FIGS. 5 and 6 showing the same plane. In FIG. 5, the drive blades, which are described below, are shown in their rest positions, and FIG.
6 shows the blades in those positions which they then assume when the rotor rotates. The shaft 37 and the tube 60 together with the other elements carried by them form the upper part of the rotor of the hydraulic motor, the stator being formed by the housing 1.
A ring with six blades 62, which serve as drive members for the rotor, are arranged around the lower end of the shaft 37. Each blade 62 is provided with a cylindrical top which carries a rotatable stud 63 which is arranged in one of the six holes in an upper retaining ring 64 for blades. The retaining ring 64 is fastened to the shaft 37, sealed against it by means of an O-ring 65 and fastened by means of six Allen screws 66 in a sleeve 67 which is fixedly mounted on the shaft 37 by means of wedges 68. The screws 66 thus hold the retaining ring 64 against a rotational movement on the shaft 37.
Nevertheless, the channels in the sleeve 67, through which the screws 66 pass, are somewhat enlarged on the circumference, so that an exact arrangement of the blades on the circumference and thus an exact adjustment of their lower ends in the further installation means, as described further below, is possible. A nut 69 provided with an inserted wear ring 70 is screwed into the top of the retaining ring 64 and held in the correct position by means of a locking ring 71, which, like the nut 69, is screwed to the shaft 37. An annular rubber seal 72, which is provided with arcuate cutouts for receiving the stud bolts 63, is inserted into the lower bottom surface of the retaining ring 64.
It can be seen from this that the blades 62 can be rotated at their upper ends in the retaining ring 64, specifically by means of the studs 63. In contrast, the blades are retained at the lower ends in a manner to be described below.
A fastening torsion shaft 73 forms a unit with the lower end of each individual blade 62 and is inserted in one of six slots 74 in a ring in the outer surface of the lower tube 60 of the drive device. The lowermost end portions of the torsion shafts are positioned in holes 75 in the tube 60 for circumferential location of the shafts. The torsion shafts 73 are not intended for a rotary movement when the motor is driven, but are intended to rotate so that a limited rotary movement of the blades 62 is possible. Each torsion shaft is therefore held against a rotational movement in that a sector-shaped part 76 thereof (see FIG. 9) engages in a correspondingly formed opening which is provided in the slot 74 in the tube 60.
As explained below, the blades are driven clockwise (viewed from above), with an easily replaceable wear piece 77 being provided on the correct side of the sector-shaped part 76 of the torsion shaft 73 in the slot for receiving the tube 60. Thus, each torsion shaft is held at its lower end against a rotational movement, but it can rotate over its entire length between the zone of the cross section in FIG. 9 and the lower end of the relevant blade 62.
This enables the already mentioned rotary movement of the blade about the axis of the torsion shaft. The studs 63 at the upper ends of the blades run coaxially to the torsion shafts 73 and this axis is the already mentioned axis of rotation of the blades.
The cross-section along most of the length of the individual blades 62 is shown in Figures 3 and 4 and the axes of rotation 78 of the blades are also included therein.
The blades are shown in their rest positions in Figures 4 and 5; i.e. when the rotor is stationary. If, however, the blades rotate clockwise during operation to move the rotor, they are moved into the position shown in FIGS. 3 and 6 in which their inner surface 79 lies exactly opposite the surface of the shaft 37.
The manner in which the pressurized sludge drives the rotor is explained below. As already mentioned, a sludge flow takes place on the outside of the rotor, along the upper end fastenings of the blades 62, such that pressure sludge is present in the annular space 80 between the outer surfaces 81 (FIGS. 3 and 4) of the blades and the inside of the housing 1 . When viewed from above, the mud pressure causes the blades to rotate in a clockwise direction, while at the same time the torsion shaft 73 is rotated in the manner described above. A sludge pressure exceeding a predetermined value has the effect that the blades are brought into the position shown in FIGS. 3 and 6, these inner surfaces 79 resting against the shafts 37.
In this state, the torsion generated in the torsion shafts 73 is transmitted to the tube 60, specifically via the sector-shaped parts 76 and the wear pieces 77, so that the rotor is driven in a clockwise direction. The blades are provided with sealing strips 82 of rubber which are inserted into their end surfaces 83 and pressed between the respective blades and the backsides 84 of the adjacent blades when the blades are rotated inward by the mud pressure. This ensures that sludge is kept away from the spaces 85 (FIGS. 4 and 5) which are initially present between the inner surfaces 79 of the blades and the shaft 37.
A ventilation opening 86 connects the spaces 85 behind the blades with a zone with reduced sludge pressure below the drive, so that the vacuum that is created when the pressure is no longer exerted on the sludge is released, and thus the blades can open the engine stops.
Such a ventilation duct also prevents high pressure from building up in the mud behind the blades if the sealing strips 82 are not completely tight so that the required pressure difference across the blades can be maintained during operation.
Means are also provided so that the pressurized sludge can escape to a limited extent from the annulus 80 which surrounds the blades when the rotor rotates. Therefore, each blade is provided at its lower end with a radially outwardly extending step 87 which is provided with a slot 88 extending in the axial direction. In this slot 88 an insert 89 made of tungsten carbide is provided, which has a limited channel 90 for the mud to flow through. The slot 88 extends a little into the outer surface 81 of the blade, in such a way that the insert 89 is offset somewhat inward relative to the outer surface 81 (see FIGS. 3 and 4).
When the blades rotate inward during operation, the individual channels 90 are gradually aligned with a ring of six channels 91 which are delimited by the tube 60 and sealed at their outer ends by means of strips 90 (FIGS. 1 and 8). In particular from FIGS. 1 and 7 it can be seen that the inlets to the channels 91 of the tube 60 are delimited by inserts 93 made of tungsten carbide and then merge into channels 94 running obliquely to the axis, so that the sludge into the interior of the tube 60, i . H. to the central space 95, as shown in FIGS. 1 and 9, can flow. A seal ring 96 made of rubber is inserted into the upper surface of the tubular body 60 and seals against the lower surfaces of the blades 62.
The sludge used to turn the rotor loses only a small part of its pressure during this process, namely about 17.5 kg / cm2 in the embodiment shown. After the mud has fulfilled its drive function, it flows freely through a central channel over the remaining length of the motor to the drill head, where it is used in the conventional manner for cooling and rinsing. The rotational speed of the rotor and thus of the drill head generated in this way is approximately 200 to 250 rpm, which thus corresponds to the desired and normal rotational speed of a device of this type.
At the same time, however, much of the power gained from the hose has not been lost, but converted into torque, so that the drill head not only rotates at the desired speed, but is also provided with the necessary power.
The remaining length of the rotor below the drive just described is rotatably arranged in the housing 1 by means of sealed bearings. This lower part of the rotor is mainly formed by the tubular rotor shaft 5, which, as already mentioned, is attached to the lower end of the drive by means of six drive rods 6, namely at the lower end of the tubular body 60, which forms the lower part of the drive. Furthermore, the position of the body 60 with respect to the upper end of the rotor shaft 5 is held by means of a locking nut 97 which is screwed onto the rotor shaft 5 and carries a ring of six Allen screws 98 which are screwed into threaded holes in the upper end of the tube 60 so that it is held against rotational movement relative to the rotor shaft.
The upper end of the rotor shaft 5 is thereby held against an inner shoulder 99 of the tube 60, a sealing ring 100 made of rubber being provided at this point.
Because the drive is of course rotatably arranged in the housing 1, there is an annular channel 101 between the lower end region of the drive and the inside of the housing, and in the operating state there is pressurized sludge in this channel. This sludge, which has not flowed through the restricted channels 90 of the blades 62, is at the same pressure when it enters the top of the engine, and this pressure is hereinafter referred to as the head pressure. This sludge then fills a further annular channel 102 between an elongated nut 103 screwed onto the rotor shaft 5 and the inside of a connecting member 104, the function of which is to connect the upper and lower parts of the outer housing 1 to one another.
This overpressure sludge then reaches the top of a seal 105, the purpose of which is to keep sludge away from the radial bearings and the thrust bearings of the rotor shaft. The seal 105 is of a similar design to the seal 44 described above.
By dividing the housing 1 into two parts, which are connected to one another by means of the connecting member 104, the upper part can easily be removed. The drive is thus accessible and can be removed from the rotor shaft 5.
The construction and the type of lubrication for the radial and thrust bearings of the rotor shaft 5 are described in more detail below with reference to FIG. 1.
It has already been mentioned that the shaft 37, which forms the upper part of the body of the drive, is provided with two bores 41 and 59. These bores 41 and 59 are fed with grease under pressure from the cylinder 27 or with pressure sludge from the upper part. A tube 106 is attached to the lower end of the bore 41 in the shaft 37 and extends straight through the interior of the rotor shaft 5 to the lower end thereof. Similarly, at the lower end of the bore 59 for the mud in the shaft 37, a pipe 107 is attached, which extends to the lower end of the rotor shaft 5. The purpose of pipe 106 is to supply grease to the radial and thrust bearings, while the purpose of supplying the pressurized sludge through pipe 107 to the lower end of the engine is to prevent lubricant leakage from the bearings at the respective lower ends, as will be described below Art.
The bearing for the rotor shaft 5 comprises a main axial thrust bearing 108, two radial sliding bearings 109 and 110 arranged below it, and a third radial sliding bearing 111 above the same. The already mentioned seal 105 arranged above the radial sliding bearing 111 serves to prevent the overpressure sludge from penetrating to the upper end of the bearing. A second seal 112 similar to that indicated at 44 serves to prevent the ingress of mud into the lower end of the bearing.
The thrust bearing 108 is of the type described in US Pat. No. 3,630,634 and comprises a stack of inner and outer rings 113 and 114 which are attached to the rotor shaft 5 and to the housing 1 and have arcuate ring corner surfaces which have six tracks for bearing balls 115 that are spaced apart in the axial direction.
The arrangement is such that the pressure from the rotor shaft 5 is transmitted to the housing 1 by means of shear stress in the bearing balls. Adjacent pairs of track-delimiting inner and outer rings 113 and 114 are separated from one another by spacer rings 116, which are dimensioned such that the width of the individual ball tracks are slightly greater than the ball diameter. Therefore, during the application of pressure to the bearings, the balls of each set are clamped between a pair of diametrically opposed track-limiting rings while they are free from the other pair.
Each lane-delimiting inner ring 113 rotates in and is in contact with adjoining outer rings 114 so that the bearing can also perform a function as a support bearing in addition to its main function as a thrust bearing.
Each of the radial bearings 109 to 111 comprises a hardened steel bearing sleeve which is fastened to the housing 1 and rotatably arranged on one of a series of bearing sleeves 117 which is mounted on the rotor shaft 5 and fastened thereto by means of the aforementioned elongated nut 103.
The bearing sleeve of the radial bearing 111 is held in its position by a locking sleeve 118 which is fastened to the housing 1 by means of a screw thread 119. The locking sleeve 118 also engages in the upper part of a stack of outer rings 114 of the thrust bearing 108 so that it is held in the housing 1.
The two lower radial bearings 109 and 110 in turn comprise bearing sleeves made of hardened steel, which are fastened to the housing 1 within a pair of sleeves 120 and 121. These sleeves 120, 121 are arranged between the lower end of the stack of outer rings 114 of the thrust bearing and the end fitting 4 of the housing 1 and are sealed against the latter by means of an O-ring 122. The lower seal 112 of the bearing is located inside the end fitting 4.
The grease for lubricating the bearing is fed from a rotor, through a fitting 123 thereon, further through three channels 124, which are bounded by the lower end of the rotor shaft 5 and the lowermost of the sleeves 117, and then on to an annular channel 125 which is provided in a sealing ring 126 at the upper end of the seal 112. From this point the fat can flow in two directions. First, it flows around the outside of the seal 112 to its lower end and, second, it flows upwards through the entire bearing to the upper part of the upper seal 105.
It should be noted that the grease supplied in this way is under pressure because it is pressurized by pressurized mud which is supplied to the piston 33 on the top of the rock drilling unit. That fat which reaches the upper part of the seal 105 of the bearing is therefore under the same pressure as the sludge which, as already mentioned, is fed to the upper part of the relevant seal via the annular channel 102. Therefore, there is no significant tendency for the pressurized sludge at the top of the seal 105 to enter the seal 105 and thus the bearing. A vent plug 127 is provided in link 104, adjacent the top of seal 105, to allow the engine to be completely filled with grease.
The purpose of supplying pressure sludge to the lower end of the engine through pipe 107 is to virtually prevent grease leakage through lower seal 112 to the outside. This sludge flows through the end fitting 128 of the pipe 107 and a channel 129 in the end fitting 8 of the rotor shaft to a channel and the lowermost sleeve 117, and from there to an annular groove 131 which is delimited by the bearing sleeve 117 within the seal 112 . Therefore, overpressure mud is fed to a point in the seal 112, between the ends thereof, and from that point it can flow out to an outlet 132 outside the engine, along the inside of the seal. This leak is caused by the fact that the pressure of the sludge flowing along the outside of the motor is about 70 kg / cm2 less than the upper pressure.
Since the sludge fed to the inside of the seal 112 has the same overpressure as the grease fed to the upper end of the seal, it will largely prevent grease leakage through the seal and thus practically all of the outflow is easily replaceable sludge.
A pin 133 is provided for supplying grease to the channels 124 for refilling the motor when it is pulled out of the borehole to change the drill bit. The end fittings 123 and 128 of the tubes 106 and 107 are held in their positions by a locking sleeve 134 which is fastened in the end fitting 8 of the rotor shaft by means of screw threads. Sealing lugs 135 are located on the two end fittings 123 and 128, which deform when the sleeve 134 is tightened for sealing against the end fitting 8.