DE102007015266A1

DE102007015266A1 - Lagerung für einen Turbinenrotor einer Bohrstrangturbine

Info

Publication number: DE102007015266A1
Application number: DE102007015266A
Authority: DE
Inventors: Helmut Winnacker; Uwe Dräger
Original assignee: Weatherford Energy Services GmbH
Current assignee: Weatherford Energy Services GmbH
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: GB2448038B; CA2619618A1; US8109721B2; NO341063B1; CA2619618C; GB2448038A; US20080240909A1; GB0804708D0; NO20081485L; DE102007015266B4

Abstract

Eine Lagerung für einen Turbinenrotor (10) einer in einen Bohrstrang (2) einbaubaren, durch die Bohrspülung antreibbaren Turbine (3) umfasst einen den Turbinenrotor (10) umgebenden Turbinenraum (11), der einen Zulauf (7) und einen Ablauf (8) hat, einen Stator (12, 15), an dem der Turbinenrotor (10) drehbar gelagert ist, einen zwischen dem Turbinenrotor (10) und dem Stator (12, 15) ausgebildeten Hohlraum (32), der wenigstens ein Radialgleitlager (16, 17) enthält und der durch ein als Gleitringdichtung ausgebildetes Axialgleitlager (18) und eine auf dem Turbinenrotor (10) angeordnete Förderschnecke (22), deren Förderwirkung von dem Hohlraum (32) zum Turbinenraum (11) hin gerichtet ist, von dem Turbinenraum (11) getrennt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagerung für einen Turbinenrotor einer in einen Bohrstrang einbaubaren, durch Bohrspülung antreibbaren Turbine, umfassend einen den Turbinenrotor umgebenden Turbinenraum, der eine Zulaufseite und eine Ablaufseite hat, einen Stator mit einer Achse, an welcher der Turbinenrotor drehbar gelagert ist, einen zwischen dem Turbinenrotor und dem Stator ausgebildeten Hohlraum, der wenigstens ein Radialgleitlager enthält und der durch zwei voneinander entfernte Engstellen, die zwischen dem Stator und dem Turbinenrotor ausgebildet sind, von dem Turbinenraum getrennt ist, ein als Gleitringdichtung ausgebildetes Axialgleitlager, das eine erste Engstelle bildet.
Eine Lagerung der angegebenen Art ist aus DE 197 06 371 A1 bekannt. Bei der bekannten Lagerung ist die zweite, den Hohlraum von dem Turbinenraum trennende Engstelle auf der Zulaufseite des Turbinenraums angeordnet und durch einen sich entgegen der Richtung des Zulaufstroms erstreckenden axialen Ringspalt gebildet, durch welchen Bohrspülung in den Hohlraum und den zum Hohlraum gehörenden Lagerspalt des Radialgleitlagers gelangen kann, um für die notwendige Schmierung zu sorgen. Der Ringspalt ist durch zwei radiale Spaltabschnitte und einen diese verbindenden axialen Spaltabschnitt mit dem Lagerspalt verbunden. Die axialen Spaltabschnitte werden durch zwei gegenüberliegende Permanentmagnete offengehalten, die auch dafür sorgen, dass die Gleitflächen des Axialgleitlagers ständig in Berührung gehalten werden. Durch die bekannte Gestaltung soll der Eintrag von abrasiven Feststoffpartikeln in den Lagerspalt des Gleitlagers vermieden werden. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass dieses Ziel bei der bekannten Gestaltung nicht in ausreichendem Maße erreicht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Lagerung der eingangs genannten Art eine ausreichende Schmierung durch die Bohrspülung zu gewährleisten und die Lagerung gegen das Eindringen von Schmutz und anderen Feststoffpartikeln wirksam zu schützen.
Die Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Nach der Erfindung ist auf dem Turbinenrotor eine Förderschnecke angeordnet, die die zweite Engstelle zwischen dem Turbinenrotor und dem Stator bildet und deren Förderwirkung von dem Hohlraum zum Turbinenraum hin gerichtet ist. Die Förderschnecke ist so ausgelegt, dass sie auf ihrer, dem Turbinenraum zugekehrten Ausgangsseite einen Staudruck erzeugt, der jeweils mindestens gleich dem Druck ist, der an dieser Stelle im Turbinenraum herrscht, so dass bei laufender Turbine die Bohrspülung im Turbinenraum nicht über die Förderschnecke in den Hohlraum der Lagerung eindringen kann. In dem Hohlraum erzeugt die Förderschnecke bei drehendem Turbinenrotor einen Unterdruck, der wegen der Dichtwirkung des Axialgleitlagers jedoch nicht zu einem Ansaugen von Bohrspülung aus dem Turbinenraum führt. Nur in einem durch das Kapillarverhalten der Gleitpartner des Axialgleitlagers bestimmten Umfang gelangt bei laufender Turbine eine minimale Menge der Spülflüssigkeit in den Hohlraum. Jedoch wird das Eindringen von Feststoffpartikeln durch die aneinander gedrückten Gleitpartner des Axialgleitlagers auf eine unwirksame Korngröße begrenzt. Auch mikroskopisch feine ferritische Partikel, die das Axialgleitlager aufgrund seiner schmierungsnotwendigen Durchlässigkeit passieren können, bleiben als magnetisch nicht blockierende Masse von seifenähnlicher Konsistenz transportfähig und werden durch den Sog der Förderschnecke nach außen abgeführt. Nur bei Stillstand der Turbine ist die Förderschnecke wirkungslos. Hierbei gelangt aber Bohrspülung aus dem Turbinenraum nicht über den Arbeitsbereich der Förderschnecke hinaus, so dass evtl. eingedrungene Feststoffpartikel beim erneuten Anlaufen der Turbine von der Förderschnecke in den Turbinenraum zurückgefördert werden.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann vorgesehen sein, dass an dem Stator und/oder an dem Turbinenrotor in axialer Richtung wirkende Permanentmagnete angeordnet sind, die durch ihre Magnetkraft das Axialgleitlager belasten. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Dichtwirkung des Axialgleitlagers auch dann erhalten bleibt, wenn das Axialgleitlager beispielsweise bei Stillstand der Turbine nicht durch die auf den Turbinenrotor einwirkende Druckkraft belastet ist. Vorzugsweise sind die Permanentmagnete im Bereich des Hohlraums und in einem Abstand von der Förderschnecke angeordnet. Auf diese Weise wird verhindert, dass ferritische Partikel bis zu den Permanentmagneten gelangen und dort störende magnetische Brücken bilden können.
Vorzugsweise ist die von der Förderschnecke gebildete zweite Engstelle auf der Zulaufseite des Turbinenraums und das die erste Engstelle bildende Axialgleitlager auf der Ablaufseite des Turbinenraums jeweils in einem Abstand von den Schaufeln des Turbinenrotors angeordnet.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, dass der Turbinenrotor mit dem Rotor eines Generators fest verbunden ist und dass der Ringspalt zwischen dem Rotor und dem Stator des Generators einen Abschnitt des Hohlraums bildet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Rotor des Generators keine separate Lagerung benötigt und dass keine separate Druckkompensation oder Wellendichtung für den Ringspalt des Generators erforderlich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
In der Zeichnung sind im Längsschnitt Abschnitte einer Messsonde 1 und eines die Messsonde 1 aufnehmenden Bohrstrangs 2 dargestellt. Derartige Messsonden werden in der Tiefbohrtechnik eingesetzt und dienen der Erfassung von Messdaten, die während des Rohrens Aufschluss über die Bohrrichtung und die Bohrbedingungen im Bohrloch geben. Mit Hilfe geeigneter Telemetrieeinrichtungen werden die gewonnenen Daten nach Übertage übertragen und dort ausgewertet. Zum Betrieb der Messgeräte und der Telemetrieeinrichtungen wird elektrische Energie benötigt, die in den dargestellten Abschnitten der Messsonde 1 mit Hilfe einer Turbine 3 und eines von dieser angetriebenen Generators 4 erzeugt wird.
Die Turbine 3 wird durch die Bohrspülung angetrieben, die durch einen zwischen der Innenwand des Bohrstrangs 2 und der Messsonde 1 vorhandenen Ringraum 5 zum Bohrmeißel am unteren Ende des Bohrstrangs 2 gefördert wird. Ein Führungsring 6, der an der Messsonde 1 befestigt ist und diese umgibt, schnürt den Ringraum 5 zwischen dem Zulauf 7 und dem Ablauf 8 der Turbine 3 ein und lenkt dadurch einen Teil des Spülstroms auf die Schaufeln 9 eines Turbinenrotors 10.
Der Turbinenrotor 10 ist in einem Turbinenraum 11 angeordnet, der in einem Abschnitt eines zylindrischen Gehäuses 12 der Messsonde 1 ausgebildet ist. Der Zulauf des Turbinenraums 11 ist durch Öffnungen 13 in dem Gehäuse 12 und der Ablauf durch Öffnungen 14 an den Ringraum 5 angeschlossen. Im Bereich der Schaufeln 9 ist das Gehäuse 12 geschlossen.
Durch das Gehäuse 12 erstreckt sich in Längsrichtung eine zentrale Achse 15, die an ihren Enden fest und druckdicht mit dem Gehäuse 12 verbunden ist und mit diesem gemeinsam einen Teil des Stators der Turbine 3 und des Generators 4 bildet. Die Achse 15 weist eine durchgehende Längsbohrung auf und ermöglicht dadurch eine elektrische Busverbindung von einem zum anderen Ende des Gehäuses 12. Hierdurch kann das Gehäuse an einer beliebigen Stelle einer aus mehreren Abschnitten zusammengesetzten Sonde angeordnet werden.
Ein der Turbine 3 zugeordneter Abschnitt der Achse 15 ist von dem rohrförmigen Turbinenrotor 10 umgeben, der mittels zweier Radialgleitlager 16, 17 auf der Achse 15 drehbar gelagert ist. Die Radialgleitlager 16, 17 sind an den entgegengesetzten Enden des Turbinenrotors 10 angeordnet. Sie weisen jeweils eine innere Lagerhülse 161, 171 und eine äußere Lagerhülse 162, 172 auf. Die Lagerhülsen bestehen aus verschleißfestem Lagermaterial wie Hartmetall, Keramik oder dergleichen. Die inneren Lagerhülsen 161, 171 sind drehfest mit der Achse 15, die äußeren Lagerhülsen 162, 172 sind drehfest mit dem Turbinenrotor 10 verbunden.
An dem ablaufseitigen Ende des Turbinenrotors 10 ist ein Axialgleitlager 18 mit einem feststehenden Lagerring 181 und einem drehbaren Lagerring 182 vorgesehen. Der Lagerring 181 ist über ein Zwischenglied an einem Wandabschnitt des Gehäuses 12 abgestützt und hat eine als ebene Ringfläche ausgebildete Lagerfläche. Der Lagerring 182 wird durch einen Endabschnitt der Lagerhülse 172 gebildet. Seine Lagerfläche ist durch eine mittige Kreisringnut 183 in eine radial innere und eine radial äußere Kreisringfläche unterteilt. Die Lagerflächen beider Lagerringe 181, 182 gleiten aufeinander und wirken wie eine Gleitringdichtung, die nur kleinste Flüssigkeitsmengen durchlassen soll. Wie die Lagerhülsen der Radialgleitlager bestehen auch die Lagerringe 181, 182 aus einem verschleißfestem Lagermaterial, wie Hartmetall, Keramik oder dergleichen.
Auf einem sich an die Turbine 3 anschließenden Abschnitt trägt die Achse 15 den von einer dünnwandigen Mantelhülse 20 aus unmagnetischem Material umgebenen Stator des Generators 4, der aus einem Eisenkern und einer Spulenanordnung besteht. Die Mantelhülse 20 ist von einem hülsenförmigen Generatorrotor 21 umgeben, der Permanentmagnete zur Erzeugung des Generatorfeldes enthält. Der Generatorrotor 21 ist an einem Ende mit dem Turbinenrotor 10 fest verschraubt und wird durch den Turbinenrotor 10 gelagert und drehend angetrieben. Das mit dem Turbinenrotor 10 verschraubte Ende des Generatorrotors 21 weist auf seiner Außenseite eine Förderschnecke 22 auf, die durch eine radial nach außen gerichtete und entlang einer Schraubenlinie verlaufenden Rippe 23 gebildet ist. Der Generatorrotor 21 ist einschließlich der Förderschnecke 22 von einem geschlossenen Ringabschnitt des Gehäuses 12 mit geringem Spiel umgeben.
An dem von dem Turbinenrotor 10 entfernten Ende des Generatorrotors 21 ist ein ringförmiger Permanentmagnet 25 befestigt, dem ein zweiter, am Gehäuse 12 abgestützter ringförmiger Permanentmagnet 26 gegenüberliegt. Die Permanentmagnete 25, 26 sind einander abstoßend angeordnet und erzeugen dadurch eine Axialkraft, die die Lagerflächen des Axialgleitlagers 18 auch bei Stillstand der Turbine 3 in Berührung hält.
Der Turbinenrotor 10 und der Generatorrotor 21 sind durch Zwischenräume 27, 28, 29 und die Lagerspalte der Radialgleitlager von der Achse 15 und der Mantelhülse 20 getrennt. Weiterhin ist ein Zwischenraum 30 zwischen der Umfangsfläche des Generatorrotors 21 und dem Gehäuse 12 vorhanden, der durch einen radialen Spalt 31 zwischen den Permanentmagneten 25, 26 mit dem Zwischenraum 29 in Verbindung steht. Die genannten Zwischenräume 27 bis 30 und der Spalt 31 bilden einen durchgängigen Hohlraum 32, der an zwei Engstellen, nämlich dem Axialgleitlager 18 und der Förderschnecke 22 von außen zugänglich ist. An dem Axialgleitlager 18 wird der Zugang zu dem Hohlraum 32 durch die Dichtwirkung des Axialgleitlagers 18 nahezu vollständig unterbunden, da dessen Gleitflächen permanent in Berührung gehalten werden. Die Durchlässigkeit des Axialgleitlagers 18 reicht gerade zur Schmierung der Gleitflächen aus und bildet im übrigen eine wirksame Barriere gegen das Eindringen von Feststoffpartikeln.
An der Förderschnecke 22 kann bei Stillstand des Turbinenrotors 10 Spülungsflüssigkeit aus dem Turbinenraum 11 in den Hohlraum 32 eindringen. Bei Stillstand des Turbinenrotors 10 findet aber keine Förderung von Bohrspülung statt, so dass die Gefahr, dass Feststoffpartikel aufsteigen und in den Hohlraum 32 eingetragen werden, äußerst gering ist, zumal der Festkörpertransport durch Schwerkraft im Stillstand durch die Tixotropie von Bohrspülungen verhindert wird. Es kommt somit im Stillstand nicht zu einem Festkörpereintrag, der durch die drehende Förderschnecke nicht in den Turbinenraum zurückgefördert wird. Wird der Turbinenrotor 10 durch den Spülungsstrom angetrieben, so erzeugt die Förderschnecke 22 einen gegen den Turbinenraum 11 gerichteten Staudruck, der das Eindringen von Bohrspülung und damit von Feststoffpartikeln in den Hohlraum 32 verhindert. Auf diese Weise wird eine durch die Spülungsflüssigkeit geschmierte Lagerung für den Turbinenrotor 10 und den Generatorrotor 21 geschaffen, die keine aufwendigen Maßnahmen zur Druckkompensation und Wellendichtungen benötigt und gegen das Eindringen von abrasiven und blockierenden Feststoffpartikeln zuverlässig geschützt ist. Die Lagerung nach der Erfindung gewährleistet daher selbst unter den extremen Druck- und Temperaturbedingungen und hohen Verschleißanforderungen im Bohrstrang einer Tiefbohrvorrichtung zuverlässigen Betrieb und lange Standzeiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19706371 A1 [0002]

Claims

Lagerung für einen Turbinenrotor einer in einen Bohrstrang einbaubaren, durch die Bohrspülung antreibbaren Turbine, umfassend einen den Turbinenrotor umgebenden Turbinenraum, der eine Zulaufseite und eine Ablaufseite hat, einen Stator mit einer Achse, an welcher der Turbinenrotor drehbar gelagert ist, einen zwischen dem Turbinenrotor und dem Stator ausgebildeten Hohlraum, der wenigstens ein Radialgleitlager enthält und der durch zwei voneinander entfernte Engstellen, die zwischen dem Stator und dem Turbinenrotor ausgebildet sind, von dem Turbinenraum getrennt ist, ein als Gleitringdichtung ausgebildetes Axialgleitlager, das eine erste Engstelle bildet und eine auf dem Turbinenrotor angeordnete Förderschnecke, die die zweite Engstelle bildet und deren Förderwirkung von dem Hohlraum zum Turbinenraum hin gerichtet ist.
Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Förderschnecke gebildete zweite Engstelle auf der Zulaufseite des Turbinenraums in einem Abstand von den Schaufeln des Turbinenrotors angeordnet ist.
Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die erste Engstelle bildende Axialgleitlager auf der Ablaufseite des Turbinenraums in einem Abstand von den Schaufeln des Turbinenrotors angeordnet ist.
Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stator und/oder an dem Turbinenrotor in axialer Richtung wirkende Permanentmagnete angeordnet sind, die durch ihre Magnetkraft das Axialgleitlager belasten.
Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete im Bereich des Hohlraums und in einem von der Förderschnecke angeordnet sind.
Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialgleitlager einen ersten, an dem Turbinenrotor gehaltenen Lagerring und einen zweiten, an dem Stator gehaltenen Lagerring aufweist, und dass beide Lagerringe ringförmige Lagerflächen haben, mit denen sie aneinander anliegen.
Lagerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Lagerfläche wenigstens eines Lagerrings eine konzentrische Ringfläche aufweist, welche die Lagerfläche in einen radial äußeren ringförmigen Lagerflächenabschnitt und einen radial inneren ringförmigen Lagerflächenabschnitt unterteilt.
Lagerung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste dem Turbinenrotor zugeordnete Lagerring durch einen Endabschnitt einer Lagerhülse gebildet ist, die Teil des wenigstens einen Radialgleitlagers des Turbinenrotors ist.
Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum zwei Radialgleitlager zur drehbaren Lagerung des Turbinenrotors in einem Abstand voneinander angeordnet sind.
Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenrotor mit dem Rotor eines Generators verbun den ist und dass der Hohlraum den Ringspalt zwischen dem Rotor und dem Stator des Generators einschließt.
Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse eine durchgehende Längsbohrung aufweist und die Enden der Achse druckdicht an dem Stator befestigt sind.
Lagerung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator neben dem Turbinenrotor auf der Achse angeordnet ist und der Stator des Generators auf der Achse befestigt ist.