DE102008021491A1 - Spannkopf für eine Erdbohranlage - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spannkopf für eine Erdbohranlage, umfassend eine Hohlwelle (3), wobei koaxial auf der Hohlwelle (3) eine Hülse (1) verschieblich zu dieser angeordnet ist, die wenigstens einen sich, insbesondere nach unten erweiternden, insbesondere kegelförmig erweiternden Endbereich (1b) aufweist, und wobei in der Hohlwelle (3) und/oder an der Hülse (1) wenigstens zwei radial zur Hohlwelle (3) verschiebliche Spannbacken (2) gelagert sind, die an ihrem radial außen liegenden Ende mit dem sich erweiternden Endbereich (1b) zusammenwirkende Anlaufflächen (2b) aufweisen, so dass durch ein Schieben des Endbereichs (1b) über die Spannbacken (2) diese radial nach innen drückbar sind und einen ersten Spannmechanismus für einen von unten in die Hülse einführbaren/eingeführten oberen Endbereich eines Futterrohres (9) bilden, insbesondere so, dass durch ein Zusammenwirken zwischen Spannbacken (2) und Futterrohr (9) ein Drehmoment zwischen Hohlwelle (3) und Futterrohr (9) übertragbar ist und wobei in der Hohlwelle (3) ein zweiter Spannmechanismus vorgesehen ist, der durch das Bewegen der Hülse (1) betätigbar ist und mittels dem ein eingeführtes/einführbares Futterrohr (9) an seinem oberen Endbereich in axialer Richtung festlegbar ist, insbesondere, um ein Futterrohr (9) in axialer Richtung entgegen der Schwerkraft relativ zum Spannkopf ortsfest zu halten, wobei ein Spülrohr (14) für die Zuführung einer Spülflüssigkeit koaxial in der Hohlwelle (3) und drehfest mit ...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Spannkopf für eine Erdbohranlage, umfassend eine Hohlwelle, wobei koaxial auf der Hohlwelle eine Hülse verschieblich zu dieser angeordnet ist, die wenigstens einen sich, insbesondere nach unten erweiternden, insbesondere kegelförmig erweiternden Endbereich aufweist und wobei in der Hohlwelle und/oder an der Hülse wenigstens zwei radial zur Hohlwelle verschiebliche Spannbacken gelagert sind, die an ihrem radial außen liegenden Ende mit dem sich erweiternden Endbereich zusammenwirkende Anlaufflächen aufweisen, so dass durch ein Schieben des Endbereichs über die Spannbacken diese radial nach innen drückbar sind und einen ersten Spannmechanismus für einen nach unten in die Hülse einführbaren/eingeführten oberen Endbereich eines Futterrohrs bilden, insbesondere so, dass durch ein Zusammenwirken zwischen Spannbacken und Futterrohr ein Drehmoment zwischen Hohlwelle und Futterrohr übertragbar ist und wobei in der Hohlwelle ein zweiter Spannmechanismus vorgesehen ist, der durch das Bewegen der Hülse betätigbar ist und mittels dem ein eingeführtes/einführbares Futterrohr an seinem oberen Endbereich in axialer Richtung festlegbar ist, insbesondere um ein Futterrohr in axialer Richtung entgegen der Schwerkraft relativ zum Spannkopf ortsfest zu halten.
  • Ein derartiger Spannkopf ist zur Anwendung bei Erdbohrungen durch denselben Anmelder bereits in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 012 729.9 offenbart worden. Auch der dort beschriebene Spannkopf, dessen Zusammenwirken mit einem Bohrgestänge beschrieben wurde, ist grundsätzlich geeignet, statt eines Bohrgestänges ein Futterrohr wie hier eingangs beschrieben aufzunehmen.
  • Futterrohre werden im Stand der Technik in der Verbindung mit durchgeführten Erdbohrungen verwendet, um nach der Bohrung und nach dem Heben des Bohrgestänges die Wandungen der Erdbohrung zu stabilisieren. Hierfür ist es demnach vorgesehen, ein sogenanntes Futterrohr in die durchgeführte Bohrung einzuführen. Das Futterrohr selbst ist hohl, so dass der innere freie Durchmesser der Bohrung erhalten bleibt, wobei jedoch durch die Futterrohrwandung eine Stabilisierung des Bohrloches über seine Länge erzielt wird.
  • Dabei ist im Stand der Technik das Problem bekannt, dass Bohrungen nicht immer einen exakt geraden Verlauf nehmen, so dass es mitunter schwierig ist, ein Futterrohr nach dem Heben eines Bohrgestänges in das in die Erde eingebrachte Bohrloch einzuführen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Spannkopf der eingangs genannten Art bereitzustellen, der die Möglichkeit bietet, ein Futterrohr nachträglich in erstellte Bohrungen im Erdreich einzuführen und hierbei insbesondere nicht nur ein Einstecken, sondern insbesondere ein Eindrehen des Futterrohres in das Bohrloch zu ermöglichen. Dabei soll zur Erzielung einer erleichterten Einbringung eines Futterrohres in ein Bohrloch zusätzlich eine Fluidspülung, insbesondere eine Wasserspülung zum Einsatz kommen, wobei eine Konzentrierung der Spülkraft des Spülfluids im Bohrloch erzielt werden soll.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Spülrohr für die Zuführung einer Spülflüssigkeit koaxial in der Hohlwelle und drehfest mit dieser angeordnet ist, dessen unterer Bereich von einem ringförmigen, mit Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit aufpumpbaren Ballon umgeben ist.
  • Wesentlicher Kerngedanke bei der Konstruktion des erfindungsgemäßen Spannkopfes ist es, dass zum einen durch die eingangs genannten beiden Spannmechanismen und hier insbesondere durch die verschieblichen Spannbacken, durch deren radiale Verschiebung ein in den Spannkopf eingeführtes Futterrohr fest verspannt werden kann, um über die Drehung des Spannkopfes auch das Futterrohr im Erdreich in Drehung zu versetzen. Dabei wird durch den eingangs genannten zweiten Spannmechanismus sicher gestellt, dass ein insbesondere oberer Bereich des Futterrohres fest im Spannkopf gehalten wird, insbesondere entgegen der wirkenden Schwerkraft, um so ein Herausrutschen in axialer Richtung des Futterrohres aus dem Spannkopf zu verhindern.
  • Es besteht so die Möglichkeit, so wie es schon in dem eingangs genannten Dokument DE 10 2008 012 729.9 beschrieben ist, mit dem Spannkopf in gleicher Weise wie mit dem in dem vorgenannten Dokument beschriebenen Bohrgestänge ein Futterrohr ins Erdreich drehend einzubringen, wobei nun in dieser erfindungsgemäßen Ausführung durch die koaxiale Anordnung vom Spülrohr innerhalb eines eingeführten oder einführbaren Futterrohres die Möglichkeit besteht, durch das Spülrohr Spülflüssigkeit in das Futterrohr einzupumpen, wobei die Flüssigkeit durch das Futterrohr bis zu dessen unteren Ende gelangt und in einem Bereich zwischen der Außenwand des Futterrohres und der Bohrlochinnenwandung zu einer Auflockerung der Bohrlochwandung, zu einer Art Schmiereffekt und somit zu einem leichteren Einfügung des Futterrohres in das Bohrloch beiträgt.
  • Dabei kann durch den aufpumpbaren Ballon, der ringförmig um das Spülrohr in einem Bereich zwischen Spülrohr und innerer Wandung des Futterrohres angeordnet ist, erfindungsgemäß eine Abdichtung zwischen Spülrohr und Futterrohr erzielt werden, so dass verhindert wird, dass die mit hohem Druck eingepumpte Spülflüssigkeit nach oben durch den Spannkopf entweicht.
  • Um dies sicherzustellen, kann es in einer bevorzugten Ausführung vorgesehen sein, dass durch ein Aufpumpen des Ballons ein ringförmiger Bereich, der zwischen dem Spülrohr und einem eingeführten, das Spülrohr koaxial umgebenden Futterrohr ausgebildet ist, gegen die Spülflüssigkeit abdichtbar ist. So wird durch das Aufpumpen bevorzugterweise erreicht, dass der Ballon im Volumen zunimmt, immer weiter aufgebläht wird und sich so an den Innenbereich der Futterrohrwandung sowie an den Außenbereich der Spülrohrwandung anlegt und so diesen ringförmigen Bereich druckdicht verschließt. Hierbei kann insbesondere durch den gewählten Druck beim Aufpumpen dieses Ballons die Dichtigkeit gegen verschieden hohe Spüldrücke erzielt werden. Als Fluid, welches in den Ballon gepumpt wird kann z. B. Wasser, bevorzugt jedoch ein Hydraulikfluid zum Einsatz kommen, insbesondere ein Öl.
  • Um das Aufpumpen zu ermöglichen, kann es dabei in bevorzugter Ausführung vorgesehen sein, dass der ringförmige Ballon aus einem flexiblen, insbesondere elastischen Material ausgebildet ist. So wird zum einen durch die Flexibilität sichergestellt, dass sich der Ballon durch das Aufpumpen automatisch an die Konturen anpasst, die im Ringbereich zwischen Spülrohr und Futterrohr gegeben sind.
  • Darüber hinaus wird durch die bevorzugte Elastizität des Ballons auch sicher gestellt, dass Fluid, welches in den Ballon zum Aufpumpen eingepumpt wurde, automatisch auch wieder aus dem Ballon entweicht, dadurch, dass das aufgepumpte elastische Material dazu tendiert, sich wieder zusammenzuziehen und so das eingepumpte Fluid aus dem Ballon zurückdrängt.
  • Es kann jedoch gegebenenfalls ebenso vorgesehen sein, nicht nur das Fluid zum Aufpumpen in den Ballon hineinzupumpen, sondern auch zum Ablassen des Drucks das Fluid aus dem Ballon herauszupumpen. Sowohl für das Aufpumpen als auch für ein gegebenenfalls vorgesehenes Herauspumpen des Fluids kann eine separate Pumpe zum Einsatz kommen oder aber auch eine Pumpe, die bei einer Erdbohranlage mit einem solchen erfindungsgemäßen Spannkopf ohnehin eingesetzt ist.
  • In einer weiterhin bevorzugten Ausbildung kann es vorgesehen sein, dass der Ballon am Spülrohr befestigt ist, wodurch verhindert wird, dass der Ballon insbesondere in einem Zustand, wenn er nicht aufgepumpt ist, sich in axialer Richtung relativ zum Spülrohr verschiebt. Durch die Befestigung wird somit immer eine optimale Lage relativ zum Spülrohr und relativ zu einem eingeführten Futterrohr erzielt. Insbesondere kann die Befestigung derart gewählt sein, dass der Ballon oberhalb des unteren Endes des Spülrohrs angeordnet ist und gleichzeitig relativ zu einem in den Spannkopf eingeführten Futterrohr unterhalb von dessen oberem Ende.
  • In erfindungsgemäßer Ausführung kann es weiterhin vorgesehen sein, dass der Ballon eine Fluidzuführung aufweist, die aus einer am Spülrohr befestigten Drehdurchführung mit Fluid speisbar ist. Beispielsweise kann eine solche Drehdurchführung ein inneres fluidführendes Ringteil aufweisen, welches mit dem Spülrohr drehfest verbunden ist und mit der Fluidzuführung verbunden ist und ein äußeres, gegenüber dem inneren Ringteil drehbares fluidführendes Ringteil aufweist, welches gegenüber einem umgebenden Maschinenaufbau drehfest ist und mittels dem Fluid auch bei einer Drehung der Ringteile zueinander zu dem inneren Ringteil zuführbar ist.
  • So wird sichergestellt, dass bei einer Drehung des Spannkopfes, um ein bohrendes Einbringen eines Futterrohrs im Erdreich zu erzielen, keine Verdrillung der Fluidzuführung um das Spülrohr herum bzw. relativ zum Spannkopf erfolgt, da sich die Fluidzuführung zwischen Ballon und einem Teil der Drehdurchführung erstreckt, welches drehfest mit dem Spülrohr ist, so dass sich bei einer Drehung des Spannkopfes die Fluidzuführung mitdreht.
  • Durch ein äußeres drehbares Ringteil an der Drehdurchführung, welches gegenüber dem umgebenden Maschinenaufbau drehfest ist, kann die Zuführung von Fluid zu der Drehdurchführung und dann zum Ballon von einem umgebenden Maschinenaufbau erfolgen, wobei auch hier durch die drehende Entkopplung zwischen äußerem und innerem Ringteil gewährleistet ist, dass die Zuführung zur Drehdurchführung und deren äußerem Ring keinerlei Verdrillung bei der drehenden Bewegung eines Spannkopfes relativ zu einem umgebenden Maschinenaufbau erfährt.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Drehdurchführung kann vorsehen, dass diese drei Fluidkanäle umfasst, insbesondere also technisch drei Drehdurchführungen in einem Bauteil realisiert sind. Es besteht demnach die Möglichkeit, mittels dieser Drehdurchführung drei verschiedene Arbeitsfluide unabhängig von außen, d. h. einem umgebenden Maschinenaufbau, zu einem sich drehenden Spannkopf zuzuführen. Hierbei kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Fluidkanal für die Fluidzuführung und/oder Fluidabführung zum und/oder vom Ballon Sorge trägt, wobei zwei weitere Fluidkanäle zur Zuführung von Fluid zu jeweils wenigstens einem Zylinder-Kolben-Aggregat für die axiale Bewegung der Hülse auf der Hohlwelle in entgegengesetzte Richtungen eingesetzt sind.
  • Beispielsweise kann eine Betätigung der Spannmechanismen des Spannkopfes durch eine Verschiebung der beweglichen Hülse relativ zur Hohlwelle erfolgen, wobei für diese Betätigung der Hülse zur Verschiebung in axialer Richtung für jede der beiden möglichen Richtungen wenigstens ein Zylinder-Kolben-Aggregat vorgesehen ist. So kann demnach wenigstens ein Zylinder-Kolben-Aggregat eingesetzt werden, um die Hülse relativ zur Hohlwelle nach unten zu verschieben und wenigstens ein anderes, um die Hülse relativ zur Hohlwelle nach oben zu verschieben. Jedes dieser Zylinder-Kolben-Aggregate kann sein Arbeitsfluid von einem der Kanäle der eingangs genannten Drehdurchführung erhalten. Es besteht so die Möglichkeit, mit lediglich einer einzigen Drehdurchführung alle benötigten Arbeitsfluide zu dem erfindungsgemäßen Spannkopf zuzuführen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Figur detailliert dargestellt.
  • Die 1 zeigt hier in einer übersichtlichen Schnittdarstellung einen Spannkopf gemäß der Erfindung, der eine Hohlwelle 3 umfasst, auf der koaxial eine Hülse 1 angeordnet ist, die auch als Spannkopfglocke bezeichnet wird und deren unterer Bereich sich trichterförmig/kegelstumpfartig nach unten erweitert. Der innere Wand-Bereich dieses unteren, sich trichterförmig erweiternden Bereiches der verschieblichen Hülse bildet dabei Betätigungsflächen für radial außen liegende Enden bzw. Anlaufflächen von Spannbacken 2, die durch ein axiales Nach-Unten-Verschieben der Hülse somit automatisch radial nach innen verschoben werden. Hierbei können diese Spannbacken 2 an der Hülse 1 und/oder an der Hohlwelle 3 verschieblich gelagert sein.
  • Erkennbar ist hier in der Darstellung der 1 ein in den erfindungsgemäßen Spannkopf eingeführtes Futterrohr 9, wobei die Spannbacken 2 durch ein Nach-Unten-Verschieben der äußeren Hülse 1 in radialer Richtung von außen an den Mantel des Futterrohres 9 angelegt sind und einen Reibschluß und/oder Kraftschluss ausbilden. Hierdurch besteht die Möglichkeit, durch Drehen des gesamten erfindungsgemäßen Spannkopfes ein Drehmoment auf das Futterrohr 9 zu übertragen und dieses drehend in ein Bohrloch einzubringen.
  • Die 1 zeigt weiterhin einen zweiten Spannmechanismus, der ausgebildet ist durch mehrere, um ein Futterrohr 9 angeordnete Spannelemente 4, wobei jedes Spannelement 4 eine radial außen liegende Führungsfläche 4a umfasst, die mit einer Führungsfläche 3a im Inneren der Hohlwelle 3 zusammenwirkt, so dass durch ein Bewegen eines Spannelementes 4 in axialer Richtung, insbesondere nach unten, ein radiales Bewegen des Spannelementes, insbesondere nach innen, bewirkbar ist.
  • Hierbei ist es vorgesehen, wie eingangs genannt, dass die einzelnen Spannelemente 4 des zweiten Spannmechanismus bewegt werden, wenn mittels der außen auf der Hohlwelle 3 angeordneten Hülse 1 eine axiale Bewegung insbesondere in der üblichen Arbeitsposition nach unten ausgeführt wird. Hierfür ist eine mechanische Wirkverbindung zwischen äußerer Hülse 1 und inneren Spannelementen 4 vorgesehen, die sich beispielsweise durch die Wandung der Hohlwelle 3 erstrecken kann.
  • So kann erzielt werden, dass durch das Bewegen der Hülse 1 außen auf der Hohlwelle 3 die in der Hohlwelle 3 angeordneten Spannelemente 4 in der gleichen Bewegungsrichtung zumindest bereichsweise mitgeführt werden.
  • Durch eine entsprechende Anordnung der jeweiligen Führungsflächen 3a, 4a der Hohlwelle 3 und der Spannelemente 4 wird dabei bewirkt, dass beim Mitbewegen in axialer Richtung automatisch auch ein Bewegen in radialer Richtung der Spannelemente 4 erfolgt insbesondere so, dass diese sich formschlüssig um ein von der Hohlwelle umfasstes Futterrohr 9 herumgelegt werden können.
  • Die kinematische Umsetzung einer axialen Bewegung der Spannelemente 4 in eine gleichzeitig erfolgende radiale Bewegung kann hierbei beispielsweise dadurch erfolgen, dass die miteinander zusammenwirkenden Führungsflächen 3a, 4a an Spannelement 4 und Hohlwelle 3 relativ zur Mittenachse der Hohlwelle 3 eine Neigung aufweisen, insbesondere bei einer Betrachtung im Schnitt einen spitzen Winkel zu dieser aufweisen.
  • Ein Formschluss zwischen den Spannelementen 4 und einem Futterrohr 9 kann dabei durch an den Spannelementen 4 vorgesehenen an deren radialen inneren Bereichen liegende Anlageflächen 4b erzielt werden, die hinsichtlich ihrer Formgestaltung an ein Futterrohr 9 insbesondere im oberen Bereich angepasst sind, beispielsweise also an den Durchmesser eines Futterrohres 9, so dass diese Anlageflächen 4b z. B. zumindest einen zylinderabschnittförmigen Flächenbereich aufweisen und/oder auch an eine Schulter 9a angepasst sein können, die am Futterrohr vorgesehen ist, bzw. eine Stufe 9a an der sich der Durchmesser des Futterrohres ändert, insbesondere in der Richtung von oben nach unten verjüngt.
  • Eine solche Verjüngung kann an der genannten Schulter bzw. Stufe 9a beispielsweise durch eine rechtwinklige Stufe relativ zur Achse des Futterrohres erfolgen oder auch durch eine kegelförmige Stufe bzw. eventuelle andere Formgestaltungen. Die Anlageflächen 4b der Spannelemente 4 weisen demnach auch Flächenbereiche auf, die an eine derartige Schulter bzw. Stufe 9a angepasst sind, so dass durch ein Formschluss zwischen den Spannelementen 4 und einem Futterrohr 9 aufgrund der Anlage der Spannelemente 4 an einer derartigen Schulter bzw. Stufe 9a eine axiale Hebekraft bzw. Haltekraft auf das Futterrohr ausgeübt werden kann, wenn die Anlagefläche 4b an der Schulter/Stufe 9a anliegt, ohne dass die Spannelemente 4 in axialer Richtung relativ zum Futterrohr 9 verrutschen.
  • Um eine entsprechende Führungsfläche 3a als Gegenfläche für diejenigen Führungsflächen 4a am jeweiligen Spannelement 4 zu erhalten, kann es in der hier gezeigten Ausführung vorgesehen sein, dass eine solche Führungsfläche im Inneren der Hohlwelle 3 gebildet ist durch einen radialen nach innen vorspringenden Ringbereich 3b, dessen innere Ausnehmung eine kegelstumpfförmige Mantelfläche bildet, die koaxial um die Mittenachse M der Hohlwelle 3 angeordnet ist, insbesondere wobei diese kegelstumpfförmige Mantelfläche in der üblichen Arbeitsposition des Spannkopfes nach unten verjüngend ausgebildet ist. Gerade durch die Verjüngung nach unten wird hier erzielt, dass bei einer Abwärtsbewegung der Spannelemente 4 innerhalb des Spannkopfes ein Verschieben dieser Spannelemente 4 radial nach innen erfolgt, wenn die Führungsfläche 4a am Spannelement 4 an der kegelstumpfförmigen Mantelfläche 3a des Ringbereiches 3b entlang gleitet.
  • Die Ausbildung einer kegelstumpfförmigen Mantelfläche am inneren Ringbereich innen in der Hohlwelle hat fertigungstechnische Vorteile, da eine solche kegelstumpfförmige Mantelfläche in einfacher Weise durch ein inneres Ausdrehen einer Welle erzielt werden kann. Beispielsweise kann hierfür eine Hohlwelle 3 aus einem Vollmaterial gefertigt werden.
  • Die radial außen liegenden Führungsflächen 4a der Spannelemente 4 können weiterhin als zu der kegelstumpfförmigen Mantelfläche korrespondierende äußere Kegelmantelflächenbereiche ausgebildet sein. Dabei ergibt es sich, wenn sowohl die Führungsflächen 4a an den Spannelementen 4 als auch die an dem vorspringenden Ringbereich kegelstumpfförmig ausgebildet sind, bzw. einen Abschnitt bilden aus einer kegelstumpfförmigen Mantelfläche, dass es nur eine bestimmte Position gibt, in der die jeweiligen Führungsflächen 4a von Spannelement 4 und Ringbereich 3b einander formschlüssig berühren, da außerhalb dieser bestimmten Lage die jeweiligen Durchmesser der einzelnen Kegelflächen relativ zur Mittenachse M der Hohlwelle 3 nicht zueinander passen.
  • Es ist daher in einer bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass die jeweiligen Führungsflächen 3a, 4a von Spannelement 4 und Ringbereich 3b so aneinander angepasst sind, dass sich der Formschluss zwischen diesen korrespondierenden Führungsflächen mit zunehmendem Formschluss zwischen den Spannelementen 4 und einem Futterrohr 9 erhöht, also insbesondere dann, wenn die Spannelemente 4 durch die Hülse 3 nach unten und damit gleichzeitig nach innen geschoben werden.
  • So kann der zweite Spannmechanismus so ausgeführt sein, dass in dem Augenblick wenn optimaler Formschluss zwischen den Spannelementen 4 und einem Futterrohr 9 besteht auch ein optimaler Formschluss zwischen den korrespondierenden Führungsflächen 3a, 4a gegeben ist. Es werden auf diese Art und Weise optimal die jeweiligen Kräfte zwischen den Flächen übertragen unter Vermeidung zu hoher lokaler Drücke. Eine derartige Ausführung hat weiterhin auch den Vorteil, das in einem Fall wenn noch kein Formschluss zwischen Spannelement 4 und Futterrohr 9 bzw. zwischen den korrespondierenden Führungsflächen besteht, diese Führungsflächen nicht über Ihren gesamten Flächenbereich sondern lediglich punktuell bzw. linienförmig aneinander anliegen, so dass die Reibung zwischen den Führungsflächen in diese Lage der Spannelemente reduziert ist.
  • Dieselbe Ausgestaltung kann auch zwischen den Führungsflächen an den Spannbacken 2 des ersten Spannmechanismus und dem sich kegelförmig erweiternden Endbereich der äußeren Hülse 1 gegeben sein. Sämtliche vorgenannten Ausführungen bezüglich der Konstruktion der Führungsflächen zwischen den Spannelementen des zweiten Spannmechanismus und der kegelstumpfförmigen Mantelfläche des Ringbereiches gelten analog auch für die Spannbacken 2 des ersten Spannmechanismus und dem kegelstumpfförmigen sich erweiternden Endbereich der Hülse 1.
  • In dieser Ausführung ist es weiterhin vorgesehen, dass ein Spannelement 4 an einem parallel zur Hohlwellenachse M angeordneten Bolzen 6 in axialer Richtung verschieblich ist, der ein Spannelement 4 bzw. einen daran angeordneten radialen nach außen weisenden Vorsprung durchdringt. Dies hat den Vorteil, dass beim Einsatz mehrerer einzelner Spannelemente 4 diese jeweils eine Führung haben und sich nur entlang dieser Führung in axialer Richtung im Inneren der Hohlwelle 3 bewegen können.
  • So wird beispielsweise ein Verkanten der Spannelemente 4 relativ zum Futterrohr 9 vermieden. Um neben der geführten Bewegung in axialer Richtung gleichzeitig zu ermöglichen, dass bei einer axialen Bewegung eine radiale Bewegung insbesondere nach innen möglich ist, ist es bevorzugt vorgesehen, dass ein solcher Bolzen 6 in einer Ausnehmung des Spannelementes 4 bzw. dessen genannten Vorsprung einliegt, die sich in radialer Richtung erstreckt, also beispielsweise in der Art einer Langloches in radialer Richtung ausgebildet ist. So kann bei einer Bewegung eines Spannelementes 4 in axialer Richtung dieses in axialer Richtung zum Bolzen 6 an diesem entlang geführt werden, sich dabei aber auch gleichzeitig senkrecht zur Erstreckung des Bolzens 6 in radialer Richtung bewegen.
  • Wie eingangs erwähnt ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Spannelemente 4 betätigt werden durch eine Bewegung der äußeren Hülse 1. Hierfür kann eine Wirkverbindung vom Inneren der Hohlwelle 3 zur außen liegenden Hülse 1 vorgesehen sein. In der gezeigten Ausführung sind dabei die Spannelemente 4 mittels eines im Inneren der Hohlwelle 3 angeordneten Betätigungselementes 5 in axialer Richtung bewegbar, insbesondere in die Richtung zunehmenden Formschlusses relativ zum Futterrohr, wobei das Betätigungselement 5 mit der außen auf der Hohlwelle angeordneten Hülse 1 durch wenigstens einen radialen Steg verbunden ist, der sich durch eine Ausnehmung 3c in der Hohlwelle 3 erstreckt.
  • Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine solche Ausnehmung 3c eine Längserstreckung in axialer Richtung der Hohlwelle 3 aufweist, damit bei einer Bewegung der Hülse 1 in axialer Richtung sich ein Steg der sich in radialer Richtung durch eine solche Ausnehmung 3c erstreckt in dieser axialen Richtung innerhalb der Ausnehmung 3c ebenso bewegbar ist. So kann die Bewegung einer Hülse 1 außen auf der Hohlwelle 3 dadurch in das Innere der Hohlwelle 3 übertragen werden, dass sich das durch die Stege verbundene Betätigungselement 5 zusammen mit der Hülse 1 bewegt. Die Bewegung des Betätigungselementes 5 kann so dann auf verschiedene Arten auf die Spannelemente 4 übertragen werden beispielsweise dadurch, dass ein Betätigungselement 5 direkt und unmittelbar auf ein Spannelement 4 einwirkt oder aber auch dadurch, dass ein Betätigungselement 5 mittelbar über zwischengelagerte Elemente auf ein Spannelement 4 einwirkt.
  • Dabei kann es in besonders bevorzugter Ausführung unabhängig von der Art der Einwirkung vorgesehen sein, dass ein Betätigungselement 5 ringförmig ausgebildet ist wobei dessen innere Ausnehmung vorgesehen ist, um ein Futterrohr zu umgeben und wobei über den Ring dieses Betätigungselementes 5 alle Spannelemente 4 gleichzeitig bewegbar sind.
  • Weiterhin kann es auch vorgesehen sein, dass die eingangs genannten Bolzen 6, an denen sich die Spannelemente 4 entlang bewegen, am Betätigungselement 5 befestigt sind. Beispielsweise kann eine Befestigung mittels einer Schraubverbindung erfolgen, wobei ebenso weiterhin es vorgesehen sein kann, dass die Bolzen 6 in Führungsbohrungen eintauchen, die am Ringbereich 3b vorgesehen sind der in der Hohlwelle zur Ausbildung des kegelstumpfförmigen Führungsflächenbereiches gebildet ist. Die Bolzen 6 sind dabei in einem Abstand zur Mittenachse M um diese herum angeordnet, insbesondere in einer gleichmäßigen Winkelteilung, ebenso wie die daran beweglich befestigten Spannelemente 4.
  • In einer weiterhin bevorzugten Ausführung kann ein Spannelement 4, insbesondere jedes Spannelement 4, welches in der Hohlwelle 3 vorgesehen ist, in Richtung zunehmenden Formschlusses und somit insbesondere in einer Richtung nach unten bezüglich der üblichen Arbeitsposition gegen eine rückstellende Kraft verschieblich sein. Eine solche rückstellende Kraft kann beispielsweise durch eine Druckfeder 7 ausgeübt sein, insbesondere eine solche, die sich einseitig, insbesondere unterseitig am Spannelement 4 und mit Ihrer anderen Seite, insbesondere oben am ringförmigen eingangs genannten Bereich abstützen. Dabei kann eine solche Druckfeder 7 einen ebenso eingangs genannten Bolzen 6 umgeben.
  • Die Bewegung der Spannelemente 4 in Richtung zunehmenden Formschlusses gegen eine rückstellende Kraft hat den Vorteil, dass das Spannelement 4 durch diese rückstellende Kraft in axialer Richtung auf eine an einem Futterrohr realisierte Schulter bzw. Stufe 9a zugedrückt werden kann. So wird hierdurch bewirkt, dass in dem Augenblick, wenn das Futterrohr ein Spannelement 4 entlastet dieses Spannelement 4 durch die rückstellende Kraft aus dem Formschluss zwischen den Führungsflächen herausgedrückt wird, also beispielsweise bezogen auf die übliche Arbeitsposition nach oben gedrückt wird. Hierdurch wird das Futterrohr aus den Spannelementen 4 freigegeben. Eine derartige Entlastung zwischen Futterrohr 9 und dem Spannelement 4 kann beispielsweise erzielt werden, wenn ein Futterrohr 9 in das Erdreich eingebracht ist und der Spannkopf sich relativ zum Futterrohr 9 von der Schulter 9a des Futterrohr 9a weg nach unten bewegt in axialer Richtung des Futterrohres 9.
  • In der hier gezeigten Ausführung, die auch entfallen kann, ist es vorgesehen, eine mittelbare Einwirkung des Betätigungselementes 5 auf die jeweiligen Spannelemente 4 vorzunehmen mittels wenigstens einer Druckfeder 8 die zwischen Betätigungselement 5 und jedem Spannelement 4 vorgesehen ist. Hierdurch wird erzielt, dass eine Kraft nicht unmittelbar zwischen Betätigungs- und Spannelement wirkt, sondern dass die Kraft jeweils durch die Druckfeder 8 aufgebracht wird. Dies hat darüber hinaus den Vorteil, dass über einen bestimmten vorgegebenen axialen Bewegungsweg im Wesentlichen immer dieselbe Kraft auf das Spannelement 4 ausgeübt wird, die sich durch die Federkonstante der Druckfeder 8 in Abhängigkeit vom Einfederweg ergibt.
  • In einer hier nicht gezeigten Ausführung kann es vorgesehen sein, dass eine solche Druckfeder 8 unmittelbar zwischen Betätigungselement 5 und Spannelement 4 angeordnet ist oder aber in einer besonders bevorzugten hier gezeigten Ausführung, dass eine solche Druckfeder 8 zwischen einem Betätigungselement 5 und einem zwischengelagerten Element 5a, z. B. einem Zwischenring 5a angeordnet ist, der zwischen Betätigungselement 5 und Spannelement 4 liegt. Über einen solchen Zwischenring 5a können wiederum alle Spannelemente 4 gleichzeitig kontaktiert sein. Federelemente 8 können demnach zwischen den aufeinander zuweisenden Ringflächen von Zwischenring 5a und Betätigungselement 5 angeordnet sein, beispielsweise bevorzugt an den Positionen, an denen die eingangs genannten Bolzen 6 sich vom Betätigungselement 5 aus durch den Zwischenring 5a und die Spannelemente 4 hindurch erstrecken. So kann jede dieser Federn 8 beispielsweise einen Bolzen 6 umgeben.
  • Eine derartige Ausführung hat erfindungsgemäß den besonderen Vorteil, dass eine Hülse 1 in axialer Richtung relativ zur Hohlwelle 3 bewegbar ist, wobei zunächst durch die mittelbare Wirkung des Betätigungselementes 5 über die Druckfedern 8 die Spannelemente 4 in ein Formschluss mit einem Futterrohr 9 bewegbar sind, wobei nach dem Erreichen dieses Formschlusses zwischen Betätigungselement 5 und Spannelementen 4 bzw. Betätigungselement 5 und Zwischenring 5a ein axialer Bewegungsbereich verbleibt.
  • Dieser axialer Bewegungsbereich ergibt sich hierbei im wesentlichen dadurch, dass bei Erreichen des Formschlusses die Druckfedern 8 noch nicht vollständig komprimiert sind. Es verbleibt demnach ein axialer Bewegungsbereich der gegeben ist durch die bei Formschluss erzielte Kompression der Druckfedern 8 bis zur maximal möglichen Kompression der Druckfedern 8, z. B. wenn deren Windungen aneinander anliegen oder ein separater Anschlag vorgesehen ist. Die Konstruktion des erfindungsgemäßen Spannkopfes ist demnach derart, dass aufgrund dieses verbliebenen Bewegungsbereiches selbst bei schon vorliegendem Formschluss zwischen den Spannelementen 4 und dem Futterrohr die äußere Hülse 1 in diesem gegeben Bewegungsbereich in axialer Richtung weiterbewegt werden kann, bis das ein Wirkschluss zwischen den Spannbacken 2 der ersten Spannvorrichtung und dem Futterrohr 9 entsteht. Dieser Wirkschluss kann beispielsweise gegeben sein durch einen Kraft- und/oder Form- und/oder Reibschluss zwischen den Spannbacken 2 der ersten Spannvorrichtung und dem Futterrohr 9.
  • Es wird also bei einer Bewegung der Hülse 1 insbesondere bezogen auf die übliche Arbeitsposition in axialer Richtung nach unten zunächst ein Formschluss zur axialen Festlegung des Futterrohrs 9 mit dem zweiten Spannmechanismus erzielt und nachdem dieser erreicht ist, durch ein Weiterbewegen der Hülse 1 der Wirkschluss zwischen den Spannbacken 2 der ersten Spannvorrichtung und dem Futterrohr 9, um hierdurch ein Drehmoment übertragen zu können.
  • So ermöglicht ein solcher erfindungsgemäßer Spannkopf beim Tragen und Manipulieren des Futterrohres 9 neben den hierfür ausgeübten Hebekräften auch gleichzeitig das Futterrohr aufgrund der Möglichkeit zur Drehmomentübertragung zu drehen und so die Haftung zwischen Futterrohr 9 und Erdreich zu verringern, was das Einbringen wesentlich vereinfacht.
  • Bei umgekehrter Bewegung der Hülse 1, d. h. bezogen auf eine normale Arbeitsposition von unten nach oben löst sich somit in umgekehrter Reihenfolge zunächst der Wirkschluss zwischen den Spannbacken 2 und dem Futterrohr 9 wobei in dem Fall wenn das Futterrohr 9 im Spannkopf hängt der Formschluss zwischen den Spannelementen 4 der zweiten Spannvorrichtung und dem Bohrgestänge zunächst erhalten bleibt, da das Futterrohr über seine Schulter/Stufe 9a, die eingangs beschrieben wurde mit seiner Gewichtskraft auf den Spannelementen 4 aufliegt und somit diese nun statt durch die Hülse/ Betätigungselement über das Futterrohr in axialer Richtung nach unten und somit in Schwerkraftrichtung belastet sind, so dass der Formschluss selbsthemmend erhalten bleibt.
  • Erst wie eingangs genannt in dem Fall, wenn das Futterrohr die Spannelemente 4 entlastet, senkt sich der Spannkopf relativ zum Futterrohr ab, wodurch der Formschluss zwischen dem Futterrohr 9 bzw. der Schulter 9a und den Spannelementen 4 aufgehoben wird und die Spannelemente 4 durch die Federbelastung in axialer Richtung nach oben verschoben werden und somit das Futterrohr freigeben.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es bevorzugt vorgesehen, den zweiten Spannmechanismus bezogen auf eine übliche Arbeitsposition des Spannkopfes oberhalb des genannten ersten Spannmechanismus anzuordnen. Ebenso ist es möglich, diese Anordnung umzukehren.
  • Der hier dargestellte erfindungsgemäße Spannkopf zeigt in der 1 weiterhin, dass mit diesem drehfest ein Spülrohr 14 verbunden ist, welches koaxial um die Mittenachse M des Spannkopfes angeordnet und in dieser Ausführung mittels einer Deckelplatte 15, die das obere Ende der Hohlwelle 3 überdeckt, mit dieser drehfest verbunden ist.
  • Das untere Ende des Spülrohres 14 endet dabei im inneren Bereich des erfindungsgemäßen Spannkopfes oder unterhalb des unteren Endes der Hohlwelle 3, so dass in jedem Fall sicher gestellt ist, dass ein von unten in den erfindungsgemäßen Spannkopf eingeführtes Futterrohr 9, welches das Spülrohr 14 koaxial umgibt, mit seinem oberen Ende oberhalb des unteren Endes des Spülrohres 14 angeordnet ist. Hierbei ist es vorgesehen, dass der obere Bereich des Futterrohres 9 und insbesondere eine an diesem oberen Bereich angeordnete Stufe oder Schulter 9a durch die zuvor beschriebenen Spannelemente 4 sicher erfasst werden kann, so dass das Futterrohr in axialer Richtung festgelegt ist.
  • Erkennbar ist hier in der 1 weiterhin, dass in dem ringförmigen Bereich zwischen Spülrohr 14 und Futterrohr 9 ein ringförmig ausgestalteter Ballon 11 angeordnet ist, der eine Fluidzuführung 12 aufweist, die sich ebenso durch die obere Deckelplatte 15 erstreckt und hier an einem inneren Ringbereich einer Drehdurchführung 13 befestigt ist, wobei dieser innere Ringbereich mit dem Spülrohr 14 drehfest ausgebildet ist. So kann mittels einer Fluidzuführung an die Drehdurchführung 13 ein Aufblasen des Ballons 11 erreicht werden, so dass der ringförmige Bereich zwischen Spülrohr 14 und Futterrohr 9 dicht gegenüber der Spülflüssigkeit verschlossen werden kann, die durch das Spülrohr 14 in das Futterrohr 9 eingepumpt wird. Die eingepumpte Spülflüssigkeit kann sich somit nur in dem Inneren des Futterrohres 9 nach unten, nicht jedoch gegen den Ballon 11 nach oben ausbreiten, so dass die Spülflüssigkeit im Futterrohr 9 nach unten gepumpt wird und das Bohrloch aufweicht und so zu einem leichteren Einbringen des Futterrohres 9 in das Bohrloch Sorge trägt. Insbesondere wird durch einen aufgeblasenen Ballon hier sicher gestellt, dass ein aufgebauter Druck der Spülflüssigkeit vollständig innerhalb des Spülrohres 9 erhalten bleibt.
  • Wie eingangs erwähnt, jedoch hier in der Figur nicht dargestellt, kann die Drehdurchführung 13 nicht nur einen Kanal zur Fluidweiterleitung aufweisen, sondern gegebenenfalls mehrere Kanäle, insbesondere zwei weitere Kanäle, um hier nicht dargestellte Zylinder-Kolben-Aggregate zur Verschiebung der äußeren Hülse 1 in axialer Richtung gegenüber der Hohlwelle 3 zu bewirken.
  • Mit der hier dargestellten konstruktiven Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spannkopfes kann somit sicher gestellt werden, dass ein Futterrohr sowohl in axialer Richtung durch den hier beschriebenen zweiten Spannmechanismus im Spannkopf festgehalten wird als auch durch den ersten Spannmechanismus mit den Spannbacken 2 eine Drehmomentübertragung auf das Futterrohr erfolgen kann, wobei gleichzeitig Spülflüssigkeit durch das Spülrohr in das Futterrohr appliziert werden kann und eine Dichtigkeit zwischen Spülrohr und Futterrohr gewährleistet bleibt.
  • Bezüglich sämtlicher Ausführungen ist festzustellen, dass die in Verbindung mit einer Ausführung genannten technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt werden können oder eingesetzt sind, sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen. Sämtliche offenbarten technischen Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung sind als erfindungswesentlich einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar oder in Alleinstellung einsetzbar. Dabei wird in der gesamten Offenbarung unter der Erwähnung, dass ein Merkmal vorgesehen sein kann oder ein Verfahrenschritt durchgeführt werden kann auch eine Ausführung der Erfindung verstanden, in der das betreffende Merkmal vorgesehen ist bzw. ein betreffender Verfahrensschritt durchgeführt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102008012729 [0002, 0008]

Claims (9)

  1. Spannkopf für eine Erdbohranlage umfassend eine Hohlwelle (3), wobei koaxial auf der Hohlwelle (3) eine Hülse (1) verschieblich zu dieser angeordnet ist, die wenigstens einen sich, insbesondere nach unten erweiternden, insbesondere kegelförmig erweiternden Endbereich (1b) aufweist und wobei in der Hohlwelle (3) und/oder an der Hülse (1) wenigstens zwei radial zur Hohlwelle (3) verschiebliche Spannbacken (2) gelagert sind, die an ihrem radial außen liegenden Ende mit dem sich erweiternden Endbereich (1b) zusammenwirkende Anlaufflächen (2b) aufweisen, so dass durch ein Schieben des Endbereichs (1b) über die Spannbacken (2) diese radial nach innen drückbar sind und einen ersten Spannmechanismus für einen von unten in die Hülse einführbaren/eingeführten oberen Endbereich eines Futterrohres (9) bilden, insbesondere so dass durch ein Zusammenwirken zwischen Spannbacken (2) und Futterrohr (9) ein Drehmoment zwischen Hohlwelle (3) und Futterrohr (9) übertragbar ist und wobei in der Hohlwelle (3) ein zweiter Spannmechanismus vorgesehen ist, der durch das Bewegen der Hülse (1) betätigbar ist und mittels dem ein eingeführtes/einführbares Futterrohr (9) an seinem oberen Endbereich in axialer Richtung festlegbar ist, insbesondere um ein Futterrohr (9) in axialer Richtung entgegen der Schwerkraft relativ zum Spannkopf ortfest zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spülrohr (14) für die Zuführung einer Spülflüssigkeit koaxial in der Hohlwelle (3) und drehfest mit dieser angeordnet ist, dessen unterer Bereich von einem ringförmigen mit Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit aufpumpbaren Ballon (11) umgeben ist.
  2. Spannkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Aufpumpen des Ballons (11) ein ringförmiger Bereich, der zwischen dem Spülrohr (14) und einem eingeführten das Spülrohr (14) koaxial umgebenden Futterrohr (9) ausgebildet ist, gegen Spülflüssigkeit abdichtbar ist.
  3. Spannkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Ballon (11) aus einem flexiblen, insbesondere elastischen Material ausgebildet ist.
  4. Spannkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ballon (11) am Spülrohr (14) befestigt ist.
  5. Spannkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ballon (11) eine Fluidzuführung (12) aufweist, die aus einer am Spülrohr (14) befestigten Drehdurchführung (13) mit Fluid speisbar ist, insbesondere die ein inneres Ringteil aufweist, welches mit dem Spülrohr (14) drehfest verbunden ist und mit der Fluidzuführung verbunden ist und ein äußeres gegenüber dem inneren Ringteil drehbares Ringteil aufweist, welches gegenüber einem umgebenden Maschinenaufbau drehfest ist und mittels dem Fluid zum dem inneren Ringteil zuführbar ist.
  6. Spannkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehdurchführung (13) drei Fluidkanäle aufweist, wobei ein Fluidkanal für die Fluidzuführung zum Ballon (11) vorgesehen ist und zwei Fluidkanäle zur Zuführung von Fluid zu jeweils wenigstens einem Zylinder-Kolben-Aggregat für die axiale Bewegung der Hülse (1) auf der Hohlwelle (3 in entgegengesetzte Richtungen.
  7. Spannkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spannmechanismus wenigstens zwei Spannelemente (4) umfasst, wobei jedes Spannelement (4) eine radial außen liegende Führungsfläche (4a) umfasst, die mit einer Führungsfläche (3a) im Inneren der Hohlwelle (3) zusammenwirkt, so dass durch ein Bewegen eines Spannelementes (4) in axialer Richtung, insbesondere nach unten, ein radiales Bewegen, insbesondere nach innen, bewirkbar ist.
  8. Spannkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (4) jeweils radial innen liegende Anlageflächen (4b) aufweisen, mittels denen diese jeweils formschlüssig an ein Futterrohr (9), insbesondere an einem oberen Ende eines Futterrohres (9) ausgebildete Schulter/Stufe (9a) im Durchmesser anlegbar sind.
  9. Spannkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter/Stufe (9a) rechtwinklig ausgebildet ist, insbesondere dadurch, dass eine Muffe (10) das obere Ende des Futterrohres (9) umgibt, deren unteres stirnseitiges Ende die Schulter/Stufe (9a) bildet.
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