DE102009005330A1 - Turbine zum Antreiben eines Generators in einem Bohrstrang - Google Patents

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Abstract

Bei einer Turbine (1) mit einem Gehäuse (3), das in einen Bohrstrang einbaubar ist und eine Einlassöffnung (7) und eine Auslassöffnung (8) für ein durch den Bohrstrang gefördertes Strömungsmedium hat, und mit einem Schaufelrad (34), das in dem Gehäuse (3) angeordnet ist und durch das in das Gehäuse (3) einströmende Strömungsmedium anströmbar ist, ist das Schaufelrad (34) axial bewegbar gelagert und entgegen der Anströmrichtung derart nachgiebig abgestützt, dass mit zunehmender axialer Bewegung des Schaufelrades (34) die Abstützkraft der nachgiebigen Abstützung größer wird. Zur Verringerung der Abhängigkeit der Turbinendrehzahl und der Turbinenleistung von der Förderrate und zur Vermeidung einer Überlastung des Generators weist das Gehäuse (3) im Bewegungsbereich des Schaufelrads (34) einen in Anströmrichtung vorderen ersten Gehäuseabschnitt (36) kleineren Innendurchmessers und einen in Anströmrichtung hinteren zweiten Gehäuseabschnitt (37) größeren Innendurchmessers auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbine zum Antreiben eines Generators mit einem Gehäuse, das in einen Bohrstrang einbaubar ist und eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung für ein durch den Bohrstrang gefördertes Strömungsmedium hat, wenigstens einem in dem Gehäuse angeordneten Schaufelrad, das durch das in das Gehäuse einströmende Strömungsmedium anströmbar ist und das axial bewegbar gelagert und entgegen der Anströmrichtung derart nachgiebig abgestützt ist, dass mit zunehmender axialer Bewegung des Schaufelrades die Abstützkraft der nachgiebigen Abstützung größer wird.
  • In der Tiefbohrtechnik ist es verbreitet, mit Hilfe von in den Bohrstrang eingebauten Messsystemen während des Bohrens kontinuierlich Messungen durchzuführen und die Messergebnisse mit Hilfe von Telemetrieeinrichtungen nach Übertage zu übertragen. Zur Erzeugung der für den Betrieb der Mess- und Telemetrieeinrichtungen benötigten elektrischen Energie dient hierbei meist ein Generator, der von einer im Bohrstrang angeordneten Turbine angetrieben wird. Die Turbine entnimmt ihre Antriebsenergie dem Bohrspülungsstrom, der durch den Bohrstrang zum Bohrmeißel gefördert wird. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass die Fördermenge der durch den Bohrstrang geförderten Bohrspülung von den Bohrbedingungen, wie Pumpenkapazität, Bohrlochtiefe, physikalischen Eigenschaften der Bohrspülung, um nur einige zu nennen, abhängig ist und erheblichen Schwankungen im Größenverhältnis von 1 bis 4 unterliegen kann. Solche Schwankungen sind für den Antrieb des mit der Turbine verbundenen Generators ungeeignet und würden zu schwer beherrschbaren Drehzahl- und Leistungsschwankungen führen. Es ist daher erforderlich, die Abhängigkeit der Leistung und Drehzahl der Turbine von der Förderrate der Spülungspumpe zu verringern und die Antriebsleistung des Generators auf das gewünschte Maß zu begrenzen.
  • Bei einer aus US 6 864 593 B2 bekannten Turbine der eingangs angegebenen Art ist das Schaufelrad mit dem Rotor eines Generators und einem axial verstellbaren Drosselelement einer Drosseleinrichtung derart gekuppelt, dass die aus einer Belastungsänderung des Generators resultierende Änderung des Druckabfalls am Schaufelrad zu einer Axialbewegung des Schaufelrades und zu einer Verstellung der Drosseleinrichtung führt. Durch die Verstellung der Drosseleinrichtung werden Druckimpulse in dem Bohrstrang erzeugt, die zur Signalübertragung nach Übertage bestimmt sind. Eine Begrenzung der Drehzahl und Leistung der Turbine ist nicht vorgesehen.
  • Aus EP 0 069 530 A2 ist eine Bypass-Vorrichtung für eine in einem Bohrstrang angeordnete Turbine bekannt, die ein stromauf der Turbine in dem Bohrstrang angeordnetes Ventil zur Steuerung des an der Turbine vorbeigeleiteten Flüssigkeitsstroms aufweist. Das Ventil wird von einer Kolbenanordnung betätigt, die in einer Richtung von dem Druck auf der Ausgangsseite der Turbine und einer Druckfeder und in der entgegengesetzten Richtung von dem Druck auf der Eingangsseite der Turbine beaufschlagt ist. Je nach Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang ändert sich die Stellung des Ventils, um dadurch die Menge der Bohrspülung, die zum Eingang der Turbine gelangt und die an der Turbine vorbeiströmt, zu regeln. Hierdurch soll die Ausgangsleistung der Turbine trotz sich ändernder Betriebsbedingungen im Wesentlichen konstant gehalten werden. Eine solche Bypass-Vorrichtung führt zu höherem Bauaufwand und ihre Funktion kann durch Partikel in der Bohrspülung beeinträchtigt werden.
  • Es ist weiterhin aus JP 04022766 A eine Geschwindigkeitsregeleinrichtung für einen in einem Bohrstrang angeordneten Turbinengenerator bekannt, bei dem am Turbineneingang ein Ventil angeordnet ist, das durch Federkraft in einer Offenstellung gehalten wird. Parallel zum Eingang des Ventils ist ein die Turbine umgehender Bypasskanal vorgesehen. Hierbei wird das Ventil mit wachsender Fördermenge der zugeführten Bohrspülung zunehmend geschlossen, so dass die Bypass-Menge wächst, während der zur Turbine gelangende Volumenstrom im Wesentlichen konstant gehalten wird. Diese Einrichtung hat den Nachteil, dass ein relativ großer Bypassquerschnitt immer offen ist, so dass bei kleinen Fördermengen der der Turbine zufließende Strom zu klein ist. Außerdem besteht die Gefahr, dass sich der Ventildurchgang insbesondere bei stärker geschlossenen Ventilstellungen durch in der Bohrspülung mitgeführte Partikel zusetzt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbine der eingangs genannten Art zum Antreiben eines Generators in einem Bohrstrang zu schaffen, deren maximale Drehzahl und Antriebsleistung von der zugeführten Fördermenge weitgehend unabhängig ist. Die Turbine soll bereits bei kleiner Fördermenge eine relativ hohe Leistungsabgabe ermöglichen und bei großer Fördermenge die Drehzahl und Leistungsabgabe begrenzen, um eine Überlastung des Generators und der elektrischen Spannungsstabilisierung zu vermeiden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbine mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Turbine sind in den Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.
  • Nach der Erfindung weist die Turbine ein Gehäuse auf, das in einen Bohrstrang einbaubar ist und eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung für ein durch den Bohrstrang gefördertes Strömungsmedium hat, und hat wenigstens ein Schaufelrad, das in dem Gehäuse angeordnet und durch das in das Gehäuse einströmende Strömungsmedium anströmbar ist, wobei das Schaufelrad axial bewegbar gelagert und entgegen der Anströmrichtung derart nachgiebig abgestützt ist, dass mit zunehmender axialer Bewegung des Schaufelrades die Abstützkraft der nachgiebigen Abstützung größer wird, und wobei das Gehäuse den Bewegungsbereich des Schaufelrads mit einem in Anströmrichtung vorderen ersten Gehäuseabschnitt kleineren Innendurchmessers und einem in Anströmrichtung hinteren zweiten Gehäuseabschnitt größeren Innendurchmessers umgibt.
  • Bei der Turbine nach der Erfindung wird das Turbinenrad durch den von der Fördermenge abhängigen Staudruck des das Turbinenrad anströmenden Strömungsmediums und zusätzlich durch das Druckgefälle bei Belastung in Anströmrichtung in dem Gehäuse verschoben, wobei das Schaufelrad mit zunehmender Verschiebung immer mehr in den Gehäuseabschnitt mit größerem Innendurchmesser gelangt. Die erfindungsgemäße Turbine gleicht somit selbstregelnd Änderungen der Fördermenge des zugeführten Strömungsmediums durch eine Verlagerung des Turbinenrades in einen Entlastungsbereich des Turbinengehäuses aus. Der volumetrische Wirkungsgrad der Turbine nimmt hierdurch ab und der Anstieg der Turbinendrehzahl und der Turbinenleistung wird gedämpft oder begrenzt. Auf diese Weise wird die Abhängigkeit der Turbinendrehzahl und der Turbinenleistung von der Förderrate verringert und eine Überlastung des Generators und der angeschlossenen elektrischen Einrichtungen vermieden. Entsprechend kann der Aufwand für die elektrische Spannungsstabilisierung kleiner gehalten werden, was bei den im Bohrloch herrschenden Bedingungen, wie hohe Temperatur und räumliche Enge, sehr vorteilhaft ist. Die erfindungsgemäße Gestaltung hat weiterhin den Vorteil, dass Bypasseinrichtungen der oben beschriebenen Art entbehrlich sind und damit verbundene Nachteile vermieden werden. Der Außendurchmesser des Turbinengehäuses kann so ausgelegt werden, dass er sich an den Innendurchmesser eines Bohrstrangs dicht anschließt, so dass das Turbinenrad einen relativ großen Außendurchmesser mit kleinen Schaufellängen haben kann. Hierdurch lässt sich schon bei kleiner Förderrate eine ausreichende Turbinenleistung zum Antrieb des Generators erzielen.
  • Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung können zur Erzielung einer bestimmten Regelcharakteristik der erste und der zweite Gehäuseabschnitt des Gehäuses durch eine radiale Stufe voneinander getrennt sein oder es kann zwischen den beiden Gehäuseabschnitten ein Übergangsbereich mit sich kontinuierlich änderndem Innendurchmesser angeordnet sein. Weiterhin hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Durchmesserunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseabschnitt wenigstens 15%, insbesondere wenigstens 20% beträgt.
  • Eine vorteilhafte Bauweise der Turbine und eine günstige Lagerung des Schaufelrads kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung dadurch erreicht werden, dass das Schaufelrad an einer axial bewegbar und drehbar gelagerten Welle befestigt ist, wobei die Welle vorzugsweise eine Hohlwelle ist, die auf einer die Turbine durchdringenden, feststehenden Achse gelagert ist. Zum Antrieb des Generators kann die Welle des Schaufelrads entweder über eine Axialbewegungen ausgleichende Kupplung oder starr mit der Generatorwelle gekuppelt sein, wobei im letzteren Fall der Rotor des Generators im gleichen Maße wie die Welle des Schaufelrads axial bewegbar gelagert sein muss.
  • Die nachgiebige Abstützung des Schaufelrades oder der Welle kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung durch eine gehäusefest abgestützte Druckfeder gebildet sein. Weiterhin kann die nachgiebige Abstützung einander abstoßende Permanentmagnete aufweisen, welche die Abstützkraft der Druckfeder reibungsfrei auf die Welle übertragen. Alternativ kann auch ein Gleitlager oder ein Wälzlager zur Übertragung der Abstützkraft zwischen der Druckfeder und dem Schaufelrad bzw. der Schaufelradwelle angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Druckfeder auf der die Turbine durchdringenden Achse gelagert und an der Achse in axialer Richtung abgestützt.
  • Eine Erhöhung der Turbinenleistung bei gleich bleibendem Außendurchmesser des Gehäuses kann erfindungsgemäß auf einfache Weise dadurch erreicht werden, dass in dem Gehäuse zwei Schaufelräder in axialem Abstand voneinander auf einer axial bewegbar und drehbar gelagerten Welle befestigt sind, wobei das Gehäuse jedes Schaufelrad mit einem Gehäuseabschnitt umgibt, der sich über den axialen Bewegungsbereich des jeweiligen Schaufelrads erstreckt und der einen ersten Gehäuseabschnitt kleineren Innendurchmessers und in Anströmrichtung dahinter einen zweiten Gehäuseabschnitt größeren Innendurchmessers aufweist. Weiterhin kann hierbei das Gehäuse zwischen den Gehäuseabschnitten, welche die beiden Schaufelräder umgeben, einen ringförmigen Strömungsleistenabschnitt haben, in welchem mehrere, sich axial und radial nach innen erstreckende Strömungsleisten in einem im Wesentlichen regelmäßigen Abstand voneinander angeordnet sind. Durch die Anordnung eines zweiten Schaufelrades wird dem Strömungsmedium nach dem Austritt aus dem zuerst angeströmten Schaufelrad nochmals Energie entzogen und damit eine erhebliche Steigerung der zum Antrieb des Generators verfügbaren Antriebsleistung erzielt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen
  • 1 einen Längsschnitt durch eine zweistufige Turbine nach der Erfindung und
  • 2 einen mit der Turbine gemäß 1 verbundenen Generator.
  • Die in 1 dargestellte Turbine 1 und der in 2 dargestellte Generator 2 bilden zusammen eine in einen Bohrstrang zum Tiefbohren einbaubare Baueinheit zur Erzeugung elektrischer Energie, die zur Versorgung von Messeinrichtungen und zum Antrieb von pulsierenden Telemetrieeinrichtungen bestimmt ist. Die Turbine 1 ist in der Zeichnung so dargestellt, dass das angeströmte Ende nach oben zeigt. An das untere Ende der Turbine 1 schließt dann das obere Ende des Generators 2 an.
  • Die Turbine 1 hat ein Gehäuse 3, das aus drei miteinander verschraubten Gehäuseteilen zusammengesetzt ist. Das Gehäuse 3 hat einen mittleren, zylindrischen Bereich 4, dessen Außendurchmesser nur um das zum Einbau erforderliche Spiel kleiner ist als der Innendurchmesser der Bohrstrangrohre, in welche die Turbine 1 bestimmungsgemäß einbaubar ist. An die beiden Enden des mittleren Bereichs 4 schließen sich zu den Gehäuseenden hin konisch verjüngte Gehäu seabschnitte 5, 6 an, die zahlreiche, in Längsrichtung verlaufende Schlitze zur Bildung von Einlassöffnungen 7 oder Auslassöffnungen 8 für das Strömungsmedium haben, das von einer Übertage angeordneten Pumpe durch den Bohrstrang in Richtung des Bohrmeißels gefördert wird. Oberhalb und damit stromauf der Einlassöffnungen 7 ist das Gehäuse 3 durch eine Wand 9 verschlossen. Das untere Ende des Gehäuses 3 ist, wie aus 2 zu sehen, mit einem Gehäuse 10 des Generators 2 verschraubt.
  • Durch das Gehäuse 3 erstreckt sich in Längsrichtung eine Achse 12, die aus einem durchgehenden, zentralen Rohr 13 und mehreren, auf dem Rohr 13 drehfest und axial unverschiebbar angeordneten Hülsen zusammengesetzt ist. Das Rohr 13 ist mit einem Ende in der Wand 9 befestigt und abgedichtet. Das entgegengesetzte Ende des Rohres 13 ist fest mit einer Wand 14 verbunden, die das untere Ende des Gehäuses 10 des Generators 2 verschließt. Die Bohrung des Rohres 13 bildet einen Kanal für das Hindurchführen von Kabeln, durch die stromauf der Turbine 1 angeordnete Geräte, beispielsweise Messgeräte, mit stromab des Generators 2 angeordneten Einrichtungen verbunden werden können.
  • Auf der Achse 12 ist eine Hohlwelle 16 drehbar und axial verschiebbar gelagert. Die Hohlwelle 16 ist aus drei miteinander verschraubten Elementen 161, 162, 163 zusammengesetzt. Die Elemente 161, 162 befinden sich in der Turbine 1. Das Element 163 ist im Generator 2 angeordnet und bildet die Generatorwelle 17. Zur Lagerung der Hohlwelle 16 auf der Achse 12 ist in der Turbine 1 ein erstes Gleitlager 18 und in dem Generator 2 ein zweites Gleitlager 19 angeordnet. Beide Gleitlager 18, 19 weisen eine innere, achsfeste Lagerhülse 20 und eine äußere, bewegliche Lagerhülse 21 auf. Die Lagerhülsen 20, 21 bestehen aus einem verschleißfesten Material mit geeigneten Gleiteigenschaften. Die Länge der inneren Lagerhülsen 20 ist größer als die der äußeren Lagerhülsen 21 und so groß bemessen, dass die Hohlwelle 16 in axialer Richtung um eine bestimmte Weg länge verschoben werden kann, ohne dass die Gleitflächen der Hülsen 20, 21 außer Eingriff gelangen.
  • An dem oberen Ende der Hohlwelle 16 ist konzentrisch zur Achse 12 ein ringförmiger Permanentmagnet 23 angeordnet. Zwei weitere ringförmige Permanentmagnete 24, 25 befinden sich auf beiden Seiten des Permanentmagneten 23 und in einem Abstand von diesem. Der Permanentmagnet 24 ist in eine Ausnehmung der Wand 9 eingesetzt. Der Permanentmagnet 25 ist innerhalb der Hohlwelle 16 axial verschiebbar auf dem Rohr 13 gelagert und an dem Rohr 13 gegen Verdrehen gesichert. Auf der dem Permanentmagneten 23 abgekehrten Seite ist der Permanentmagnet 25 mittels einer Druckfeder 27 an einer Anschlaghülse 26 der Achse 12 abgestützt. Die Pole der Permanentmagnete 23, 24, 25 sind so ausgerichtet, dass sich die Permanentmagnete voneinander abstoßen. Durch die Permanentmagnete 23, 24, 25 und die Druckfeder 27 wird die Hohlwelle 16 in axialer Richtung geführt, wobei die Permanentmagnete 23, 24, 25 eine reibungsfreie Übertragung der Führungskräfte bewirken. Ohne Anströmung der Turbine 1 wird die Hohlwelle 16 in der in 1 gezeigten axialen Lage gehalten.
  • An dem entgegengesetzten unteren Ende der Hohlwelle 16 ist in einer Bohrung 28 des Generatorgehäuses 10 ein ringförmiges Lagerelement 29 axial bewegbar angeordnet. Das Lagerelement 29 bildet zusammen mit der Stirnfläche der benachbarten Lagerhülse 21 ein Axiallager 30, das auch eine Dicht- und Filterfunktion erfüllen kann. Auf der dem Axiallager 30 abgekehrten Seite des Lagerelements 29 ist in der Bohrung 28 eine Druckfeder 31 angeordnet, die sich an der die Bohrung 28 verschließenden Wand 14 abstützt und das Lagerelement 29 an die Lagerhülse 21 andrückt.
  • Auf dem Element 162 der Hohlwelle 16 sind in einem Abstand voneinander zwei Schaufelräder 34, 35 befestigt. Die Schaufelräder 34, 35 befinden sich in dem mittleren, zylindrischen Bereich 4 des Gehäuses 3 zwischen den Einlassöffnun gen 7 und den Auslassöffnungen 8. Die Schaufelräder 34, 35 bestimmen durch die Ränder ihrer Schaufeln, einen kreisringförmigen Bewegungsbereich, der sich infolge der axialen Verschiebbarkeit der Hohlwelle 16 von der dargestellten Ausgangslage der Schaufelräder 34, 35 jeweils ein Stück weit in Richtung des Generators erstreckt. Das Gehäuse 3 umgibt den sich axial erstreckenden Bewegungsbereich jedes Schaufelrades 34, 35 mit zwei verschiedenen Gehäuseabschnitten 36, 37 bzw. 38, 39. Die in Strömungsrichtung vorderen Gehäuseabschnitte 36, 38 sind zylindrisch und haben einen Innendurchmesser der nur geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des Bewegungsbereichs des jeweiligen Schaufelrades 34 bzw. 35. Die Gehäuseabschnitte 37, 39 liegen in Strömungsrichtung hinter den Gehäuseabschnitten 36, 38 und haben eine zylindrische Innenwand, deren Innendurchmesser je nach erforderlichem Regelbereich etwa 15 bis 25% größer ist als der Innendurchmesser der Gehäuseabschnitte 36, 38. Sich radial nach außen erstreckende Stufen 40, 41 bilden die Übergänge zwischen den verschiedenen Gehäuseabschnitten 36, 37 bzw. 38, 39. Die Stufen 40, 41 haben eine steile, kegelstumpfförmige Ringfläche. Je nach gewünschter Regelcharakteristik können die Stufen 40, 41 jedoch auch einen flacheren Verlauf haben. Alternativ kann ein Übergangsbereich mit variierender Steigung vorgesehen werden.
  • In dem Gehäuse 3 ist weiterhin vor dem Schaufelrad 35 ein Strömungsleistenring 43 angeordnet, dessen Innendurchmesser im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Gehäuseabschnitts 38 ist und der mehrere, über den Umfang verteilt angeordnete Strömungsleisten 44 aufweist, die sich radial nach innen bis nahe an die Hohlwelle 16 und axial erstrecken. Die Strömungsleisten 44 haben die Aufgabe, den im Betrieb auf der Auslassseite des Schaufelrads 34 entstehenden Strömungswirbel zu bremsen und das Strömungsmedium in geeignete Richtung auf das Schaufelrad 35 zu lenken.
  • Der Generator 2 hat einen Rotor 45 mit einer Vielzahl von Magnetsegmenten 47, die ein zweipoliges Magnetfeld erzeugen. Die Magnetsegmente 47 sind in Längsnuten 46 der Generatorwelle 17 angeordnet und von einer Hülse 48 aus dünnwandigem, unmagnetischem Material bedeckt, die den genuteten Bereich der Generatorwelle 17 umschließt und nach außen abdichtet. Der Rotor 45 ist von Generatorwicklungen 49 und Eisenkernen 50 umgeben, die im Generatorgehäuse 10 hinter einer Statorhülse 51 aus dünnwandigem, unmagnetischem Material angeordnet sind, das zur Vermeidung von Wirbelströmen von geringer elektrischer Leitfähigkeit ist. Zwischen der Hülse 48 und der Statorhülse 51 befindet sich ein schmaler Spalt, der mit den Auslassöffnungen 8 in Verbindung steht und durch den das Strömungsmedium zum Gleitlager 19 und auch in die Bohrung 28 gelangen kann. Die Generatorwicklungen 49 sind in einer geschlossenen und mit einer isolierenden Flüssigkeit gefüllten Kammer 52 des Gehäuses 10 angeordnet. Mit Hilfe von Druckausgleichskolben 53, die in Bohrungen 54 verschiebbar angeordnet sind, wird der Druck in der Kammer 52 an den jeweiligen Druck im Bereich der Auslassöffnungen 8 angeglichen.
  • Wird die Turbine 1 durch die Einlassöffnungen 7 angeströmt, so entsteht an den Schaufelrädern 34, 35 infolge ihres Strömungswiderstands jeweils ein Druckgefälle, das eine die Hohlwelle 16 in Richtung des Generators 2 belastende Druckkraft erzeugt. Ist die Menge des zugeführten Strömungsmediums noch verhältnismäßig klein, so bietet die Kraft der Druckfedern 27, 31 und die Abstoßungskraft zwischen den Permanentmagneten 23, 25 genügend Widerstand, um die Hohlwelle 16 und die daran befestigten Schaufelräder 34, 35 in der in 1 gezeigten Stellung zu halten. Wächst die einströmende Fördermenge an, so vergrößert sich auch das Druckgefälle an den Schaufelrädern 34, 35 und damit auch die axiale Belastung der Hohlwelle 16. Durch die höhere Belastung können die Druckfedern 27, 31 etwas zusammengedrückt werden, so dass die Hohlwelle 16 in Richtung des Generators 2 verschoben wird. Bleibt die Verschiebung der Hohlwelle 16 so klein, dass die Schaufelräder 34, 35 nicht aus den Gehäuseabschnitten 36, 38 heraustreten, so ändert sich der volumetrische Wirkungsgrad der Schaufelräder 34, 35 nur unwesentlich, maximale Drehzahl und Leistung der Turbine 1 nehmen entsprechend der gestiegenen Fördermenge zu. Steigt die Fördermenge weiter an, so werden durch die entsprechend steigende Belastung der Hohlwelle 16 die Schaufelräder 34, 35 zunächst teilweise über die Regelkanten der Stufen 40, 41 in den Bereich der Gehäuseabschnitte 37, 39 verschoben. Hierdurch verschlechtert sich der volumetrische Wirkungsgrad der Schaufelräder 34, 35, so dass der weitere Anstieg der maximalen Drehzahl und der Leistung schwächer wird. Durch noch weiteren Anstieg der Fördermenge werden schließlich die Schaufelräder 34, 35 ganz in den Bereich der Gehäuseabschnitte 37, 39 bewegt. Hierdurch nimmt der volumetrische Wirkungsgrad der Schaufelräder 34, 35 weiter ab und ein erheblicher Teil der Fördermenge kann um die Schaufelräder 34, 35 herum strömen. Auf diese Weise wird eine wirksame Begrenzung der maximalen Drehzahl und Leistung der Turbine 1 erreicht und eine Überlastung des Generators 2 und der daran angeschlossenen Systeme vermieden.
  • Neben der Fördermenge, die der Turbine 1 zugeführt wird, hat auch die Drehmomentbelastung der Schaufelräder 34, 35 einen Einfluss auf das Druckgefälle an den Schaufelrädern 34, 35. Gemessen an dem Einfluss der Fördermenge ist dieser Einfluss jedoch deutlich kleiner und führt nicht zu einer Beeinträchtigung der Leistung zum Antrieb des Generators.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6864593 B2 [0003]
    • - EP 0069530 A2 [0004]
    • - JP 04022766 A [0005]

Claims (11)

  1. Turbine (1) zum Antreiben eines Generators (2) mit einem Gehäuse (3), das in einen Bohrstrang einbaubar ist und eine Einlassöffnung (7) und eine Auslassöffnung (8) für ein durch den Bohrstrang gefördertes Strömungsmedium hat, wenigstens einem Schaufelrad (34), das in dem Gehäuse (3) angeordnet ist und durch das in das Gehäuse (3) einströmende Strömungsmedium anströmbar ist, wobei das Schaufelrad (34) axial bewegbar gelagert und entgegen der Anströmrichtung derart nachgiebig abgestützt ist, dass mit zunehmender axialer Bewegung des Schaufelrades (34) die Abstützkraft der nachgiebigen Abstützung größer wird, und wobei das Gehäuse (3) den Bewegungsbereich des Schaufelrads (34) mit einem in Anströmrichtung vorderen ersten Gehäuseabschnitt (36) kleineren Innendurchmessers und einem in Anströmrichtung hinteren zweiten Gehäuseabschnitt (37) größeren Innendurchmessers umgibt.
  2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (34) an einer axial bewegbar und drehbar gelagerten Welle befestigt ist.
  3. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (3) zwei Schaufelräder (34, 35) in axialem Abstand voneinander auf einer axial bewegbar und drehbar gelagerten Welle befestigt sind, wobei das Gehäuse (3) den Bewegungsbereich des jeweiligen Schaufelrads (34, 35) mit einem in Anströmrichtung vorderen ersten Gehäuseabschnitt (36, 38) kleineren Innendurchmessers und einem in Anströmrichtung hinteren zweiten Gehäuseabschnitt (37, 39) größeren Innendurchmessers umgibt.
  4. Turbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) zwischen den Gehäuseabschnitten (36, 37), welche die beiden Schaufelräder (34, 35) umgeben, einen Strömungsleistenring (43) aufweist, in welchem mehrere, sich axial und radial nach innen erstreckende Strömungsleisten (44) in einem Abstand voneinander angeordnet sind.
  5. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseabschnitt (36, 38) und der zweite Gehäuseabschnitt (37, 38) durch eine Stufe (40, 41) voneinander getrennt sind.
  6. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseabschnitt ein Übergangsbereich mit sich kontinuierlich änderndem Innendurchmesser angeordnet ist.
  7. Turbine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle starr mit dem Rotor (45) eines Generators (2) gekuppelt ist, wobei der Rotor (45) axial bewegbar gelagert ist.
  8. Turbine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle eine Hohlwelle (16) ist, die auf einer Turbine (1) und Generator (2) durchdringenden Achse (12) gelagert ist.
  9. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgiebige Abstützung des Schaufelrades (34) bzw. der Welle einander abstoßende Permanentmagneten (23, 24, 25) aufweist.
  10. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgiebige Abstützung eine Druckfeder (27) aufweist und dass die Abstützkraft der Druckfeder (27) über einander abstoßende Permanentmagnete (23, 25) auf das Schaufelrad (34) oder die Welle übertragen wird.
  11. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgiebige Abstützung eine Druckfeder (31) aufweist und dass die Abstützkraft der Druckfeder (31) mittels Gleit- oder Wälzlager auf das Schaufelrad (34) oder dessen Welle übertragen wird.
DE102009005330A 2009-01-16 2009-01-16 Turbine zum Antreiben eines Generators in einem Bohrstrang Withdrawn DE102009005330A1 (de)

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