DE1051073B - Drehbare Verbindung zwischen zwei sich in einem Stroemungsmittel relativ zueinander drehenden koaxialen Teilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf drehbare Verbindungen zwischen zwei sich in einem Strömungsmittel relativ zueinander drehenden koaxialen Teilen, insbesondere solchen einer hydraulischen Antriebsturbine für einen Bohrkopf an einem Bohrloch, und betrifft eine solche Verbindung mit einer Lagereinheit, welche in einem mit Schmiermittel gefüllten und durch Dichtungsmittel abgedichteten Lagerhohlraum zwischen zwei konzentrischen Hülsen vorgesehen ist, dem eine Druckausgleichseinrichtung zur Angleichung des Druckes im Lagerhohlraum an die Außendrücke zugeordnet ist.

Bei bekannten drehbaren Verbindungen der angegebenen Art sind die Lagerteile und auch die erforderlichen Zusatzeinrichtungen, wie Dichtungsmittel und Druckausgleichseinrichtungen, direkt an den koaxialen Teilen angebracht bzw. mit diesen direkt gekuppelt.

Häufig müssen solche drehbaren Verbindungen zwischen koaxialen, sich relativ zueinander drehenden Teilen auf beschränktem Raum eingebaut werden. Die Lagerteile müssen in diesen Fällen meistens wesentlich höheren spezifischen Belastungen ausgesetzt werden. Die Folge ist, daß sich die Lager sehr rasch abnutzen und daher häufig überprüft bzw. ausgewechselt werden müssen. Dies gilt um so mehr, wenn die drehbare Verbindung starken Stößen oder Schwingungen ausgesetzt ist oder das Strömungsmittel, in welchem die Verbindung angeordnet ist, schädliche Einflüsse auf die Lager oder die Zusatzeinrichtungen ausübt. Der schädliche Einfluß des Strömungsmittels kann chemischer oder mechanischer Natur sein, wie bei Unterwasserpumpen mit durch Elektromotor oder Turbine angetriebener Kreiselpumpe oder bei Bohrwerkzeugen für Tiefbohrungen, beispielsweise mit direkt an einen Elektromotor oder hydraulische Türbine gekuppeltem Bohrkopf.

Es ist eine solche Turbine zum Antrieb von Erdtiefbohrern bekannt, die am unteren Ende des Zuleitungsrohres für die Bohrlochspülflüssigkeit eingebaut ist und mit der Spülflüssigkeit betrieben wird. Die Turbinenwelle, welche mit dem Bohrwerkzeug verbunden ist, läuft in einem unteren und einem oberen Lager, die jeweils in einem im Zuleitungsrohr abgestützten Lagerkörper angeordnet sind. Das obere Lager, das den Hauptteil der Kräfte, und zwar sowohl axiale als +5 auch Querkräfte, aufnehmen muß und daher einer besonders sorgfältigen Ausführung mit Wälzlagern bedarf, ist ganz vom Lagerkörper umschlossen und mit öl gefüllt, welches über einen Druckumsetzer auf den Druck der Spülflüssigkeit gebracht wird. Um die das untere Emde des Lagerkörpers gegen Austreten von öl abdichtende Stopfbüchse zu entlasten, ist in bekannter Weise eine Verbindung zwischen den Enden des Lagerkörpers vorgesehen. Diese bekannte Dreh-Drehbare Verbindung zwischen zwei sich

in einem Strömungsmittel relativ zueinander drehenden koaxialen Teilen

Anmelder: N. V. De Bataafsche Petroleum Maatschappij, Den Haag

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff₁ Dipl.-Ing. G. Puls und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. Ε. Frhr. ν. Pechmann, Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 4. August 1954 und 8. Juli 1955

Frank Whittle, Copplestone Farm, Dunsford, Exeter (Großbritannien), ist als Erfinder genannt worden

verbindung läßt sich zwar, gemessen an anderen bekannten Drehverbindungen, relativ einfach auseinandernehmen; bei ihrem Ausbau zwecks Ersatz bzw. Überprüfung ihrer Teile muß jedoch die ganze Verbindung jedesmal an Ort und Stelle auseinandergenommen bzw. wieder zusammengebaut werden. Da bei solchen Drehverbindungen bei Erdtiefbohrern die Raumverhältnisse besonders eng und die Belastungen durch die schweren Erschütterungen, die durch den Bohrkopf beim Zermalmen der Erdformationen hervorgerufen werden, besonders groß sind, müssen die Drehverbindungen sehr häufig ausgewechselt werden. Hinzu kommt, daß die Turbine durch die Schleifwirkung des Spülschlammes ebenfalls einer starken Abnutzung unterliegt und der Läufer häufig untersucht werden muß. Auch dazu muß die drehbare Verbindung ausgebaut werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine drehbare Verbindung zwischen zwei sich in einem Strömungsmittel relativ zueinander drehenden koaxialen Bauteilen zu schaffen, welche leicht und schnell auch von ungelernten Hilfskräften ein- und ausgebaut werden kann.

Die Erfindung geht von einer drehbaren Verbindung mit einer Lagereinheit aus, welche in einem mit Schmiermittel gefüllten und durch Dichtungsmittel abgedichteten Lagerhohlraum zwischen zwei konzentri

sch 750/278

sehen Hülsen vorgesehen ist, dem eine Druckausgleichseinrichtung zur AngIeichung des Druckes im Lagerhohlraum an die Außendrücke zugeordnet ist. Das Xeue besteht darin, daß Lagereinheit, Dichtungsmittel und Druckausgleichseinrichtung mittels der beiden konzentrischen Hülsen zu einer den Lagerhohlraum flüssigkeitsdicht umschließenden selbständigen Einheit zusammengebaut sind und daß je eine der beiden Hülsen an außerhalb des Lagerbolzens liegenden Stellen mit je einem der sich relativ zueinander drehenden koaxialen Teile fest verbunden ist.

Dadurch, daß sämtliche für das einwandfreie Funktionieren der Einheit notwendigen Teile zu einem selbständigen Bauaggregat zusammengefaßt sind, kann dieses an einer zentralen Stelle vormontiert und ausprobiert und dann an Ort und Stelle von einer ungelernten Kraft eingebaut bzw. später wieder ausgebaut werden.

Selbständige Lagereinsätze sind an sich, aus anderen technischen Fachgebieten bekannt. So ist ein becherförmiger Lagereinsatz für Kleinlager bekannt, welche im Massenbetrieb hergestellt werden. Auch bei Kugellagern für Rollschuhe ist eine auswechselbare Lagereinheit bekannt. Diese bekannten Lagereinheiten sind jedoch nicht nur für ganz andere Zwecke bestimmt, sondern zeigen auch einen ganz anderen Aufbau, der für die hier vorliegenden Zwecke nicht geeignet ist.

Wenn die drehbare Verbindung zwischen zwei Bereichen unterschiedlichen Druckes eingebaut werden soll, läßt sich dies gemäß der Erfindung dadurch vorteilhaft durchführen, daß an einem Ende zwischen den Hülsen eine Drosseleinriclitung angeordnet ist und der Raum zwischen dieser Drosseleinrichtung und der ihr benachbarten Dichtungseinrichtung über einen Kanal bzw. eine Bohrung in der einen Hülse mit dem Raum zwischen den relativ zueinander drehbaren Teilen an dem anderen Ende der Hülsen in Verbindung steht.

Zweckmäßigerweise umfaßt die Drosseleinrichtung einen sich zwischen einem auf der inneren Hülse angeordneten Ringteil und einem an der äußeren Hülse angeordneten Ringteil radial erstreckenden Ringspalt, wobei einer der Ringteile im axialen Sinne einstellbar ist.

In vielen Fällen wird das erste Bauelement eine Welle und das zweite Bauelement eine Büchse, eine Hülse oder ein Lagerkörper sein, der koaxial zu der Welle angeordnet ist und dieselbe stützt und sich während des Betriebes um die gemeinsame Achse dreht und/oder hin- und zurückschwingt. In anderen Fällen kann das äußere der beiden Bauelemente dasjenige sein, das einer Drehung unterliegt, oder beide Elemente können sich drehen. Unter dem Ausdruck Lagereinrichtung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen gebraucht wird, soll jede Form von Lager verstanden sein, wobei bei einem typischen Fall Rollen- oder Kugellaufbahnen mit geeigneten Käfigen, Abstandsmitteln, Distanzringen und Einstellmuttern eingeschlossen sind. Der Ausdruck soll ferner auch Kombinationen verschiedener Lagerformen einschließen. Das erste und das zweite Bauteil der Lagerbaueinheit können die Form einer koaxialen Hülse haben. In einem solchen Fall wird die innere Hülse als Wellenhülse und die andere Hülse als Futterhülse oder äußere Hülse bezeichnet.

Wenn die beiden Bauteile (bzw. die beiden Hülsen), die die Lagerteile und die Dichtungsteile tragen, zusammengebaut sind, ist keine andere Relativbewegung zwischen ihnen möglich als nur eine drehende oder schwingende Bewegung um ihre gemeinsame Längs-

achse, wobei jede Axialbewegung, die größer ist als die für den Temperaturausgleich oder ähnliches erforderliche, durch axiales Zusammenwirken der Lagerteile oder anderer geeigneter Mittel verhindert ist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt eines Teils einer hydraulischen Turbine, die beim Tiefbohren verwendet wird, ίο und

Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Schnitt, der zwei Abwandlungen der in Fig. 1 gezeigten Turbine darstellt.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt eines Teils des Statorgehäuses 1 und des unteren Endes der Läuferwelle 2 einer hydraulischen Turbine, die beim Tiefbohren verwendet wird. Die Pfeile zeigen den Weg des Spülschlammes durch die in Betrieb befindliche Turbine an.

Befestigungsmuttern 3 und 4 dienen zum Festhalten einer Lagerbaueinheit 5 zwischen dem Statorgehäuse 1

ao und der Läuferwelle 2. Die Lagerbaueinheit 5 ist nur auf der rechten Seite der Fig. 1 gezeigt. Die linke Seite zeigt den Aufbau, wenn die Lagerbaueinheit 5 entfernt ist; die Befestigungsmuttern 3 und 4 sind jedoch eingezeichnet.

Das Statorgehäuse 1 und die Läuferwelle 2 sind mit Schultern 6 bzw. 7 versehen, gegen die die Lagerbaueinheit 5 durch die Muttern 3 und 4 in Anlage gehalten wird. Der Spülschlamm wird, nachdem er durch die Turbinenbeschaufelung (nicht gezeigt) hindurchgetreten ist, durch die Öffnungen 8 in das Innere der Läuferwelle geführt und fließt dann nach unten zu dem Bohrkopf (in Fig. 1 nicht gezeigt), der mit dem unteren Ende der Welle 2 verbunden ist. Dort wird der Spülschlamm durch Öffnungen in dem Bohrkopf herausgedrückt und fließt schließlich an der Außenseite des Statorgehäuses 1 entlang nach oben. Folglich herrscht zwischen dem Spülschlamm am Turbinenaustritt und außen in dem Bohrloch ein Druckunterschied, der annähernd gleich dem Druckabfall durch die Öffnungen des Bohrkopfes ist.

Die Lagerbaueinheit 5 besitzt eine Wellenhülse 9 und eine Gehäusehülse 10, zwischen denen ein handelsübliches Lager 11 (das in bekannter Weise Lagerkäfige, Distanzhalter, Ahstandsringe und Reguliermuttern einschließt), Dichtungsmittel, eine Drosseleinrichtung und Druckausgleichsmittel eingebaut sind.

Die Druckausgleichseinrichtung umfaßt einen Balg 12, der an der Gehäusehülse 10 angebracht ist und dessen Innenraum über eine Bohrung 13 und einen Kanal 14 in der Außenwand der Gehäusehülse 10 mit Hohlräumen 15 und 16 am oberen bzw. unteren Ende der Lagerbaueinheit 5 in Verbindung steht.

Die Diditungseinrichtung umfaßt einen Balg 17 und einen Dichtungsring 18 am oberen Ende des Lagerhohlraumes 24 und ein Gummidiehtungsglied 19 am unteren Ende des Lagerhohlraumes 24. Die Drosseleinrichtung umfaßt Ringteile 20 und 21, deren benachbarte Flächen ein geringes Axialspiel voneinander haben, so daß sie einen Drosseldurchlaß bilden, dessen Weite mittels Schraubgewinden 22 und 23 einstellbar ist. Die Ringteile 20 und 21 sind unterhalb des Dichtungsteils 19 angeordnet, und der ganze Raum zwischen den Hülsen 9 und 10 oberhalb der Drosseleinrichtung bildet einen Bereich von im wesentlichen einheitlichem Flüssigkeitsdruck. Die Hohlräume 15 und 16, der Kanal 14, der die beiden verbindet, die Bohrung 13 und der Balg 12 sind alle mit Spülschlamm von im wesentlichen dem Druck gefüllt, der an dem Austritt der Turbinenbeschaufelung herrscht, während der Lagerhohlraum 24 mit Schmiermittel gefüllt ist,

Claims (3)

welches vermöge der Wirkung des Balges 12 auf im wesentlichen demselben Druck gehalten wird. Der Raum zwischen den Hülsen 9 und 10 unterhalb der Ringteile 20 und 21 ist ein Bereich anderen Flüssigkeitsdruckes, nämlich des niedrigeren Druckes des Spülschlamms im Außenraum innerhalb des Bohrloches, wobei der Flüssigkeitsdruck von dem einen Wert auf den anderen bei dem Durchtritt zwischen den Gliedern 20 und 21 abfällt. Wenn die Drosseleinrichtung nicht vorhanden wäre, um den Raum zwisehen den Hülsen 9 und 10 zu unterteilen, würden die äußeren Drücke auf die Dichtungsmittel am oberen und unteren Ende des Lagerhohlraumes 24 verschieden sein, und damit würde die Wirkung der Druckausgleichseinrichtung teilweise aufgehoben. Trotz all dieser Vorkehrungen wird die Lebensdauer des Lagers 11 kurz sein. Die Lagerbaueinheit 5 wird folglich häufig ausgewechselt werden müssen. Dies kann jedoch leicht und schnell ausgeführt werden, da es lediglich notwendig ist, die Befestigungsmuttern 3 und 4 zu entfernen, um eine abgenutzte oder beschädigte Lagerbaueinheit 5 herauszuziehen und eine neue einzusetzen. Fig. 2 zeigt einen Schnitt, der zwei weitere Ausführungsformen der Erfindung darstellt. Die linke und rechte Hälfte des Schnittes sind gleichartige Schnitte der beiden Ausführungsformen, die in vieler Hinsicht von gleicher Konstruktion sind. Gleiche Teile der beiden Ausführungsformen sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei diejenigen, die sich nur auf die rechte Hälfte der Zeichnung beziehen, mit einem Beistrich versehen sind. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 fließt der Spülschlamm im Betrieb zwischen dem Statorgehäuse 1 und der Läuferwelle 2 am Kopf der Fig. 2 nach unten und wird durch die Öffnungen 8 in das Innere der Läuferwelle 2 geführt. Eine Hülse 25 ist an der Läuferwelle 2 befestigt, und ein ringförmiges Teil 26 bzw. 26' ist an dem Statorgehäuse 1 angeschraubt, wobei ein zwischen der Hülse 25 und dem ringartigen Teil 26 bzw. 26' die Strömung reduzierender Drosselkanal 27 gebildet ist. Eine Bohrung 28 bzw. 28' verbindet den Drosselkanal 27 mit dem Raum außerhalb des Statorgehäuses 1. Eine Lagerbaueinheit 30 bzw. 30' kann leicht an den oben beschriebenen Elementen angebracht werden. Bei der auf der linken Seite der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform befestigten Muttern 29 (von denen nur eine gezeigt ist) die Lagerbaueinheit 30 an dem ringförmigen Teil 26, während in der auf der rechten Seite der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform die Lagerbaueinheit 30' mittels des Schraubgewindes 29' an das Statorgehäuse 1 angeschraubt ist. An dem unteren Ende der Lagerbaueinheit 30 bzw. 30' ist ein Bohrkopf 31 auf die Läuf erwelle 2 aufgeschraubt. Es ist ersichtlich,, daß nach dem Entfernen des Bohrkopfes 31 die Lagerbaueinheit 30 durch Lösen der Muttern 29 schnell entfernt werden kann, während die Lagerbaueinheit 30' durch Aufschrauben des Gewindes 29' in ähnlicher Weise schnell entfernt werden kann. Die Lagerbaueinheiten 30 und 30' sind im übrigen So identisch. Jede umfaßt eine Wellenhülse 33 und eine Gehäusehülse 32, zwischen denen Lager 34 und 35 (die in bekannter Weise entsprechende Lagerkäfige, Abstandsringe, Distanzhalter und Reguliermuttern aufweisen), ein flüssigkeitsgefüllter Druckring 36 sowie Dichtungsmittel und eine Druckausgleichseinrichtung eingebaut sind. Die Druckausgleichseinrichtung umfaßt eine flache, gewellte Membran 37, die auf einem Teil 38 angebracht ist. Die Dichtungsmittel umfassen einen Drosselkanal 39 zwischen dem Teil 38 und der Hülse 33 und einen Drosselkanal 40 zwischen den Hülsen 32 und 33. Der Lagerhohlraum 41, in dem die Lager 34 und 35 und die erforderlichen Einbauteile untergebracht sind, ist mit Schmiermittel gefüllt, und der Flüssigkeitsdruck in dem Hohlraum 41 ist im wesentlichen derselbe wie der Flüssigkeitsdruck außerhalb des Bohrkopfes 31. In beiden Fällen stellt die Anordnung des Drosselkanals 27 und der Bohrungen 28 und 28' sicher, daß derselbe äußere Flüssigkeitsdruck an dem äußeren Ende der Drosselkanäle 39 und 40 herrscht, welche die an jedem Ende des Lagerhohlraumes 41 vorgesehene Dichtungseinrichtung einschließen. Patentansprüche:

1. Drehbare Verbindung zwischen zwei sich in einem Strömungsmittel relativ zueinander drehenden koaxialen Teilen, insbesondere solchen einer hydraulischen Antriebsturbine für einen Bohrkopf in einem Bohrloch, mit einer Lagereinheit, welche in einem mit Schmiermittel gefüllten und durch Dichtungsmittel abgedichteten Lagerhohlraum zwischen zwei konzentrischen Hülsen vorgesehen ist, dem eine Druckausgleichseinrichtung zur Angleichung des Druckes im Lagerhohlraum an die Außendrücke zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Lagereinheit (11 bzw. 34), Dichtungsmittel (17 bis 19 bzw. 39, 40) und Druckausgleichseinrichtung (12 bzw. 37) mittels der beiden konzentrischen Hülsen (9, 10 bzw. 32, 33) zu einer den Lagerhohlraum (24 bzw. 41) flüssigkeitsdicht umschließenden selbständigen Einheit zusammengebaut sind und daß je eine der beiden Hülsen an außerhalb des Lagerhohlraums liegenden Stellen mit je einem der sich relativ zueinander drehenden koaxialen Teile (1, 2) fest verbunden ist.

2. Verbindung nach Anspruch 1 zum Einbau zwischen zwei Bereiche unterschiedlichen Drucks zwischen den relativ zueinander drehbaren Teilen, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende zwischen den Hülsen (9, 10) eine Drosseleinrichtung (20, 21) angeordnet ist und der Raum (16) zwischen dieser Drosseleinrichtung und der ihr benachbarten Dichtungseinrichtung (19) über einen Kanal bzw. eine Bohrung (14) in der einen Hülse mit dem Raum (15) zwischen den relativ zueinander drehbaren Teilen (1,2) an dem anderen Ende der Hülsen in Verbindung steht.

3. Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung einen sich zwischen einem auf der inneren Hülse (9) angeordneten Ringteil (20) und einem an der äußeren Hülse (10) angeordneten Ringteil (21) radial erstreckenden Ringspalt umfaßt, wobei einer der Ringteile im axialen Sinne einstellbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 905 961, 586 856,
•9 772.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

& 809 750/278 2.59