DE1088443B - Bohrturbine fuer Tiefbohrungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Bohrturbinen für Tiefbohrungen. Die Bohrturbine befindet sich während des Betriebes in nächster Nähe des Bohrmeißels und ist mit diesem verbunden, um ihn anzutreiben. Die Turbine wird durch einen ihrem Einlaß unter Druck zugeführten Flüssigkeitsstrom betätigt. Zu diesem Zweck kann man mit einer Spülschlammumwälzung arbeiten, wie man sie bei den gebräuchlichen Rotary-Bohrverfahren anwendet; hierbei ist die Turbine mit dem unteren Ende des Bohrgestänges verbunden, und der Spülschlamm strömt durch das Bohrgestänge hindurch nach unten, durchströmt das Turbinenaggregat und den Bohrer, woraufhin er durch in dem Bohrer vorgesehene Öffnungen in das Bohrloch hinein austritt, um außerhalb des Bohrgestänges wieder zur Erdoberfläche zurückzuströmen.

Die Erfindung befaßt sich mit Bohrturbinen, die mit einem zum Herabsetzen der Drehzahl dienenden Planetengetriebe kombiniert sind. Da die Turbine hierbei mit einer höheren Drehzahl als der Meißel arbeiten kann, genügt eine geringere Anzahl Turbinenstufen als im Falle einer unmittelbaren Kupplung zwischen Meißel und Turbine.

Ein Turbinen-Bohrsystem, in dem ein Untersetzungsgetriebe zwischen Läuferachse und Meißelachse eingeschaltet ist, ist aus der »Erdöl-Zeitschrift«, Heft 7, Juli 1955, S. 98, bekannt. Ein Nachteil dieser Konstruktion ist jedoch, daß das Vorgelege in einem beschränkten Raum untergebracht werden muß, was in den meisten Fällen auf Kosten der Festigkeit geht.

Der Zweck der Erfindung ist eine Konstruktion, bei der die durch das Treibmittel in der Turbine erzeugte und auf den Meißel übertragene Leistung nur zum Teil über das Untersetzungsgetriebe geleitet wird.

Gemäß der Erfindung sind dazu Gehäuse, Stator und Läufer durch das Planetengetriebe miteinander gekuppelt und relativ zueinander drehbar, wobei einer der drei relativ zueinander drehbaren Teile (Gehäuse, Stator und Läufer) mit dem Gestänge und ein anderer dieser Teile mit dem Bohrmeißel verbindbar ist.

Gegenüber den bekannten Turbineneinheiten, in denen die Meißelachse über das Untersetzungsgetriebe mit der Läuferachse gekuppelt ist, genügt in der erfindungsgemäßen Turbineneinheit eine leichtere und somit eine einfachere Konstruktion dieses Getriebes, da durch dessen Anordnung zwischen Läufer und Stator nur ein Teil der von der Turbineneinheit gelieferten Leistung über das Getriebe auf den Bohrmeißel übertragen wird.

Vorteilhafterweise ist das Getriebe zwischen dem Gehäuse, dem Läufer und dem Stator so ausgebildet, daß die Drehzahl des Bohrmeißels im Betrieb kleiner ist als die Drehzahl des Läufers in bezug auf den Stator.

Bohrturbine für Tiefbohrungen

Anmelder:

N. V. De Bataafsche Petroleum

Maatschappij, Den Haag

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls
ίο und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,
Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 30. September 1955 und 23. Juli 1956

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

Es sei bemerkt, daß der Ausdruck »Stator« hier das das Läuferschaufelsystem ergänzende Turbinenschaufelsystem bezeichnet, obwohl der »Stator« in manchen Fällen während des Betriebes ebenfalls umlaufen kann. Dort, wo in der nachfolgenden Beschreibung die Ausdrücke »Stator« und »Läufer« in bezug auf eine gegenläufige Turbine verwendet werden, bezeichnen sie das äußere bzw. das innere Schaufelsystem.

Bei einer zweckmäßigen Ausbildung einer erfindungsgemäßen Bohrturbine wird das äußere Gehäuse mit dem Bohrgestänge und der Stator bzw. der Leitschaufelteil mit dem Bohrmeißel verbunden. Da der Stator oder Leitschaufelteil gegenüber dem Gehäuse drehbar ist, läuft er infolge der Turbinenreaktionskräfte in einer zur Drehrichtung des Läufers entgegengesetzten Drehrichtung um; außerdem wird er durch den Läufer über das Untersetzungsgetriebe angetrieben.

Bei dieser Ausbildung des Turbinenaggregats ergeben sich im Vergleich zu einer einfacheren — allerdings nicht im Bereich der Erfindung liegenden — Anordnung, bei welcher der Stator mit dem Gehäuse fest verbunden ist und der Bohrmeißel über ein Untersetzungsgetriebe durch den Läufer angetrieben wird, erhebliche Vorteile. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß sich die Leistungsbelastung des Untersetzungsgetriebes um denjenigen Leistungsanteil vermindert, der unmittelbar durch die auf den Stator aufgebrachte Drehmomentreaktion erzeugt wird. Ferner ist es bei sämtlichen Bohrsystemen erforderlich, auf den Bohrmeißel eine axiale Druckkraft zu übertragen; diese Druck- oder

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Schubkraft bezeichnet man allgemein als das Bohrergewicht. Bei der vorstehend erwähnten einfacheren Anordnung muß diese Schubkraft — abgesehen von resultierenden hydraulischen Kräften, die an dem Bohrer angreifen können, z. B. infolge des Druckabfalls längs der Düsenöffnungen — durch ein Hauptdrucklager übertragen werden, das an dem Gehäuse angebracht ist und die Bohrerwelle trägt. Benutzt man dagegen die erfindungsgemäße Ausbildung der Bohrturbine, so benötigt man zwar immer noch ein ahnliches Drucklager, doch ermäßigt sich die durch dieses Lager zu übertragende Schubkraft um den auf hydraulischem Wege auf den Bohrmeißel übertragenen Anteil, und zwar hauptsächlich infolge der Tatsache, daß die Turbine selbst praktisch als Kolben wirkt, auf dem ein Druck lastet, der gleich dem Druckabfall längs der Turbine ist. Dieser Druck wirkt sowohl auf den Stator als auch auf den Läufer, und die hydraulische Schubkraftübertragung steigert sich, wenn der Läuferschub durch ein mit dem Stator fest verbundenes Drucklager auf den Stator übertragen wird. Ferner ist es bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung möglich, das den Axialdruck aufnehmende Lager so anzuordnen, daß es den Stator und den Läufer umgibt, so daß sich die Länge des, Aggregats nicht um die Länge des Drucklagers vergrößert. Auf diese Weise erhalt man eine Bohrturbinenanordnung von viel kürzerer Baulänge. Außerdem kann man die Bohrturbine so konstruieren, daß die unerwünschte exzentrische Belastung des Bohrmeißels vermieden wird, wie sie während des Betriebes eintreten kann, wenn z. B. der Meißel mit der Oberfläche einer geneigten harten Formation in Berührung kommt.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die Beschaufelung der Turbine so konstruiert, daß die Wirbelgeschwindigkeit der jeden Statorschaufelkranz verlassenden Flüssigkeit kleiner ist als die Drehgeschwindigkeit der Läuferschaufeln bei der konstruktiv vorgesehenen Drehzahl, wobei unter dieser Drehzahl die gewünschte Betriebsdrehzahl zu verstehen ist, auf welcher die Konstruktion der Turbine basiert. Die Turbine umfaßt vorzugsweise vier bis acht mit einer derartigen Beschaufelung versehene Stufen. Um einen Drehmomentverlust bei niedrigen Drehzahlen infolge des Abreißens der Strömung zu verhindern, kann man verschiedene Maßnahmen ergreifen :

1. Man macht die Schaufel teilung kleiner, als sie für die Erzielung des optimalen Wirkungsgrades bei der konstruktiv vorgesehenen Drehzahl erforderlich wäre ;

2. man arbeitet mit einer hohen axialen Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, die während des Betriebes mit der konstruktiv vorgesehenen Drehzahl im Bereich des 0,6- bis 0,9fachen der Geschwindigkeit der Laufschaufeln gegenüber der Bohrerwelle am mittleren S chaufel durchmesser liegt;

3. man basiert die Schaufelprofile auf den Geschwindigkeitsvektordiagrammen für eine Drehzahl, die gleich der halben konstruktiv vorgesehenen Drehzahl ist.

Die vorstehend an dritter Stelle erwähnte Maßnahme trägt außerdem zu einem schnellen Absinken des Drehmoments oberhalb der konstruktiv vorgesehenen Drehzahl bei, was ebenfalls erwünscht ist. Zwar beeinträchtigen diese Maßnahmen den Wirkungsgrad der Turbine bei der konstruktiv vorgesehenen Drehzahl, doch wird angenommen, daß sich diese Einbuße lohnt, wenn man hierdurch eine günstige 7η Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik erhält. Es wird angenommen, daß die nachstehend an Hand der Zeichnungen beschriebene siebenstufige Superreaktionsturbine eine derartige Charakteristik besitzt, daß sie sich unter den meisten Bedingungen in einem Turbinenbohrsystem betreiben läßt, ohne daß es erforderlich ist, das Bohrergewicht mit der Hand oder z. B. mittels eines Bohrdruckerzeugers automatisch zu ändern.

Dort, wo in dieser Beschreibung vom Verbinden des Turbinenaggregats mit dem Bohrmeißel oder dem Bohrgestänge gesprochen wird, kann diese Verbindung entweder unmittelbar oder unter Zuhilfenahme von einem oder mehreren Zwischenelementen, z. B. Schwerstangen, hergestellt sein; insbesondere kann die Verbindung mit einem Bohrgestänge einen Bohrdruckerzeuger umfassen. Insbesondere das Bohrergewicht, das in der Größenordnung von etwa 18 000 kg liegen kann, kann dadurch aufgebracht werden, daß man in das Bohrgestänge oberhalb des Turbinenaggregats eine entsprechende Anzahl von Schwerstangen einschaltet. Das Gewicht dieser Schwerstangen ist vorzugsweise mindestens gleich dem Bohrergewicht, doch kann bei dem erfindungsgemäßen Turbinenaggregat, dessen Vorteile weiter oben erläutert wurden, Vorsorge dafür getroffen sein, daß nur ein Teil dieses Gewichtes, und zwar annähernd ein Drittel, über das Hauptdrucklager auf den Bohrer übertragen werden muß, während der Rest des Bohrergewichts auf hydraulischem Wege übertragen wird.

Das Untersetzungsgetriebe ist als Planetenraduntersetzungsgetriebe ausgebildet und kann zwei Stufen umfassen. Das Antriebsglied dieses Getriebes wird von dem Turbinenläufer angetrieben, das angetriebene Glied treibt den Stator bzw. die mit ihm starr verbundene Bohrwelle an, und die feststehenden Bauteile sind mit dem Gehäuse starr verbunden. Das Getriebe ist vorzugsweise in ein einziges Gehäuse eingeschlossen, das während des Betriebes mit Schmierstoff gefüllt ist und das einen biegsamen Faltenbalg oder eine Rohrmembran od. dgl. umfaßt, durch die die Strömungsmitteldrücke innerhalb und außerhalb des Gehäuses im'wesentlichen ausgeglichen werden, so daß das Eindringen von Spülschlamm durch die Lagerabdichtungen des Gehäuses während des Betriebes verhindert oder möglichst weitgehend unmöglich gemacht ist.

Um eine ausreichende Kühlung des Untersetzungsgetriebes zu gewährleisten, kann dieses mit einem Wärmeaustauscher versehen sein, über den die in dem Untersetzungsgetriebe erzeugte Wärme auf das die Turbine während des Betriebes durchströmende Strömungsmittel übertragen werden kann. Wenn das Getriebe Zahnräder umfaßt, kann die Anordnung derart sein, daß das Schmiermittel für das Getriebe während des Betriebes mit Hilfe der Zahnräder durch den Wärmeaustauscher hindurchgepumpt wird, um das Schmiermittel durch eine thermische Berührung mit dem Strömungsmittel zu kühlen, bevor es wieder zu dem Getriebe zurückkehrt.

Die einzelnen Abschnitte des Turbinenaggregats können zweckmäßigerweise jeweils gesonderte Unteraggregate bilden, wobei der Aufbau des Gesamtaggregats derart ist, daß sich die Unteraggregate mittels weniger Handgriffe zusammenbauen oder voneinander trennen lassen. Hierdurch lassen sich Betriebsunterbrechungen zu Wartungszwecken auf ein Mindestmaß verkürzen, denn man kann jedes dieser Unter- bzw. Teilaggregate schnell gegen ein Ersatzaggregat austauschen, während das ausgebaute Teilaggregat untersucht und/oder instand gesetzt wird. Dies gilt vor

allem für das Untersetzungsgetriebe, doch bei einem weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Turbine selbst als Teilaggregat ausgebildet und läßt sich ohne Schwierigkeit aus dem das äußere Gehäuse, die Bohrerwelle und die zugehörigen Lager umfassenden Gesamtaggregat herausziehen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematisch gezeichneter" Längsschnitt, der die allgemeine Anordnung der Teile des erfindungsgemäßen Aggregats zeigt und ihr Zusammenwirken während des Betriebes erkennen läßt;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch das Untersetzungsgetriebe;

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch die eigentliche Turbine;

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung der zusammengebauten Stator- bzw. Leitschaufelkränze der Turbine;

Fig. 5 und 6 zeigen jeweils das Profil einer Laufschaufel bzw. einer Stator- oder Leitschaufel;

Fig. 7, die sich aus den Teildarstellungen 7 A und 7 B zusammensetzt, zeigt im Längsschnitt ein Teilaggregat, welches das äußere Gehäuse des Turbinenaggregats, die Bohrerwelle und die zugehörigen Lager umfaßt;

Fig. 8 zeigt in Umrißlinien die verschiedenen Teilaggregate des Turbinenaggregats, die in Fig. 2, 3 und 7 dargestellt sind, nach dem Zusammenbau;

Fig. 9 zeigt im Längsschnitt den allgemeinen Aufbau einer abgeänderten Ausbildungsform des Untersetzungsgetriebes.

Die schematische Darstellung in Fig. 1 läßt lediglich die allgemeine Anordnung der Turbine erkennen, die während des Betriebes in einem senkrechten Bohrloch angeordnet ist. Die bei 1 allgemein angedeutete Turbine umfaßt ein nachstehend als »Läufer 2« bezeichnetes Laufschaufelsystem 2 und ein diesem zugegeordnetes, nachstehend als »Stator 3« bezeichnetes Schaufelsystem 3. Der Läufer 2 ist auf einer Läuferwelle 4' angeordnet, während der Stator 3 mit der Innenseite der Bohrerwelle 5 verkeilt ist. Die Läuferwelle 4 und die Bohrerwelle 5 sind durch ein zweistufiges Planetenraduntersetzungsgetriebe 6, dessen Gehäuse in das äußere Gehäuse 7 eingebaut ist, miteinander gekuppelt. An seinem oberen Ende ist das Gehäuse 7 mit einem Innengewinde8 versehen, damit man das Aggregat mit dem unteren Ende eines hier nicht dargestellten Bohrgestänges verbinden kann, und das untere Ende des Turbinenaggregats besitzt ein Außengewinde 9 zum Verbinden des Aggregats mit einem Meißel (nicht dargestellt). Zum Betreiben der Turbine dient eine Bohrflüssigkeit, die durch das Bohrgestänge hindurch nach unten gepumpt wird und das Aggregat längs der gestrichelten Pfeile 10 durchströmt. Es sei bemerkt, daß in Fig. 1 die Einzelheiten verschiedener Dichtungen und anderer Bestandteile fortgelassen sind, daß der Strömungsmittelstrom jedoch tatsächlich gezwungen ist, sich längs der eingezeichneten Bahn zu bewegen. Die die Turbine passierende Bohrflüssigkeit bewirkt eine Drehbewegung des Läufers 2 und der Läuferwelle 4 in Richtung des Pfeils Ii, während der Stator 3 in der durch den Pfeil 12 angedeuteten entgegengesetzten Richtung umläuft. Da der Stator 3 mit der Innenseite der Bohrerwelle 5 verkeilt ist, gibt der Pfeil 12 auch die Drehrichtung der Bohrerwelle an.

Die Läuferwelle 4 treibt das Sonnenrad 13 der ersten Stufe des Untersetzungsgetriebes 6 an; die Drehrichtung des Sonnenrades ist ebenso wie diejenige der übrigen Bauteile des Untersetzungsgetriebes 6 in Fig. 1 jeweils durch in die betreffenden Bauteile eingezeichnete Pfeile angegeben. Die Planetenritzel 14 der ersten Getriebestufe sind in einem an₍ dem Gehäuse 15 des Getriebes befestigten Käfig drehbar gelagert, und das Gehäuse 15 ist seinerseits mit dem Gehäuse 7 fest verbunden, so daß der Planetenritzelkäfig der ersten Stufe des Untersetzungsgetriebes gegenüber dem Gehäuse 7 feststeht. Infolgedessen wird

ίο das Innenzahnrad 16 der ersten Stufe in einer zur Drehrichtung des Sonnenrades 13 entgegengesetzten Drehrichtung angetrieben. Das Innenzahnrad 16 ist mit dem Sonnenrad 17 der zweiten Stufe verbunden, deren Innenzahnrad 18 an dem Gehäuse 15 befestigt ist und somit gegenüber dem Gehäuse 7 feststeht. Der Planetenritzelkäfig 19 der zweiten Stufe des Getriebes 6 ist mit der Bohrerwelle 5 verbunden, so daß sich letztere in der gleichen Richtung dreht wie das Sonnenrad 17. Wenn Bohrflüssigkeit durch die Vorrichtung hindurchgepumpt wird, wird somit die Bohrerwelle 5 in Drehung versetzt, wobei das Drehmoment zum Teil unmittelbar von der Turbinendrehmomentreaktion auf den Stator 3 und zum Teil mittelbar von dem Antrieb des Läufers 2 über das Getriebe 6 stammt.

An der Bohrerwelle 5 ist ein das untere Ende der Läuferwelle 4 unterstützendes Drucklager 20 der Bauart Kingsbury vorgesehen, das auf die Bohrerwelle 5 die nach unten gerichtete Schubkraft überträgt, die auf die Läuferwelle 4 durch den auf den Läufer 3 und die Läuferwelle 4 wirkenden resultierenden hydraulischen Druck aufgebracht wird.

Weitere Drucklager 21 und 22 sind zwischen der Bohrerwelle 5 und dem Gehäuse 7 vorgesehen. Das Lager 21 überträgt die nach unten gerichtete Schubkraft von dem Gehäuse 7 auf die Bohrerwelle 5 und somit auch auf den Bohrer, doch während des Betriebes unter Bohrbedingungen ist diese Schubkraft nicht gleich dem gesamten Bohrergewicht, denn ein Teil des letzteren wird infolge des auf die Turbine 1 und die Bohrerwelle 5 wirkenden resultierenden hydraulischen Drucks auf die Bohrerwelle 5 aufgebracht. Unter Bohrbedingungen kann die auf dem Lager 21 ruhende Last einen verhältnismäßig kleinen Teil des Bohrergewichts ausmachen, der beispielsweise unter den weiter unten für dieses besondere Turbinenaggregat angegebenen Konstruktionsbedingungen etwa ein Drittel des Gesamtbohrergewichtes und unter bestimmten Umständen erheblich weniger ausmacht. Das Lager 22 ist vorgesehen, um die Lage der Bohrerwelle 5 gegenüber dem Gehäuse vollständig zu bestimmen, und es dient dazu, eine nach oben gerichtete Zugkraft von dem Gehäuse 7 auf die Bohrerwelle 5 zu übertragen, wie es z. B. erforderlich ist, wenn der Meißel nicht mit der Sohle des Bohrlochs in Berührung steht oder wenn das Bohrgestänge nach oben gezogen wird, um den Bohrmeißel zu lockern, der steckengeblieben ist.

Ein Vorteil des Aufbaus des Aggregats nach Fig. 1

besteht darin, daß nur ein Teil der erzeugten Leistung über das Untersetzungsgetriebe auf den Bohrer übertragen wird, denn der Stator 3 ist unmittelbar mit der Bohrerwelle 5 gekuppelt; ein weiterer Teil der Leistung wird durch die Drehmomentreaktion auf den Stator 3 erzeugt. Tatsächlich beträgt die bei dem beschriebenen Aggregat durch das Untersetzungsgetriebe 6 übertragene Leistung etwa 90 %> der Gesamtleistung, und dieser Prozentsatz kann in manchen Fällen sogar noch niedriger liegen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Drucklager 21 und 22 um die Turbinenbeschaufelung herum angeordnet sind und daher nicht zu einer größeren Länge des Aggregats führen; das

Aggregat-besitzt daher eine erheblich geringere Länge als ein ähnliches Aggregat, bei dem der Stator stillsteht, während der Läufer den Bohrmeißel über ein zwischen dem Läufer und dem Bohrmeißel angeordnetes Untersetzungsgetriebe antreibt. In diesem Falle muß man das Drucklager unterhalb des Getriebes anordnen, wodurch sich die Länge des Aggregats vergrößert.

Ferner ist die Baulänge des Aggregats kleiner als bei einem Aggregat, das eine mehrstufige Turbine und einen unmittelbaren Antrieb vom Läufer zum Bohrmeißel umfaßt. Weiterhin ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, das Getriebe 6 als Teilaggregat auszubilden, so daß man es leicht als Ganzes aus- und einbauen kann. Die Krafteinleitungs- und Kraftabgabewellen liegen gleichachsig am gleichen Ende des Gehäuses 15, und das andere Ende des Gehäuses ist abgedichtet; dieses abgedichtete Ende umschließt eine Druckausgleichseinrichtung, die reichlich bemessen ist, um den Druck des Schmierstoffs innerhalb des Getriebes im wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem Druck der Bohrflüssigkeit an der Außenseite zu halten und um hierdurch ein Eindringen von Bohrflüssigkeit in das Getriebe 6 zu verhindern.

Das hier beschriebene Turbinenaggregat ist so konstruiert, daß es bei einer Bohrmeißeldrehzahl von 500 Umdrehungen in der Minute und bei einer Wasserzirkulationsgeschwindigkeit von etwa 2,3 m³/min eine Leistung von rund 100 PS entwickelt und mit einem Bohrergewicht in der Größenordnung von etwa 18 000 kg arbeitet.

Fig. 2 bis 8 zeigen weitere Einzelheiten der Konstruktion. Fig. 2, 3 und 7 zeigen drei Abschnitte des Aggregats, die sich zu einem Gesamtaggregat zusammenbauen lassen. Der Außendurchmesser des nachstehend beschriebenen Aggregats beträgt etwa 19,7 cm (7³//'), während die Länge zwischen den Schultern etwa 120 cm (47") beträgt. Es sei jedoch bemerkt, daß diese Konstruktionsdaten mehr oder weniger willkürlich gewählt sind und daß man die Einzelheiten der Konstruktion entsprechend variieren muß, um sie gegebenen Bedingungen anzupassen. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß sich die Konstruktionsdaten weitgehend nach der Qualität der verfügbaren Bohrmeißel richten. Da zu erwarten ist, daß die Güte der Meißel ständig verbessert wird, um beispielsweise höhere Bohrerdrehzahlen zuzulassen, könnte es erforderlich werden, die Konstruktionsdaten erheblichen Änderungen zu unterziehen. Es könnte beispielsweise erforderlich werden, nur ein einstufiges Untersetzungsgetriebe vorzusehen und/oder eine Turbine zu benutzen, die anders ausgebildet ist als die bei der hier beschriebenen Vorrichtung verwendete.

Obwohl das ganze Aggregat ziemlich verwickelt aufgebaut ist, läßt es sich verhältnismäßig einfach zusammenbauen, denn das Getriebe 6 (Einzelheiten siehe Fig. 2), die Turbine 1 (Einzelheiten siehe Fig. 3) und das Teilaggregat 23 (Einzelheiten siehe Fig. 7), welches das Gehäuse 7, die Bohrerwelle 5 und die Lager 21 und 22 umfaßt, stellen jeweils geschlossene Baugruppen dar, so daß man das ganze Turbinenaggregat leicht in drei Abschnitte oder Teilaggregate zerlegen kann, um Wartungsarbeiten vorzunehmen oder Teilaggregate auszutauschen.

Fig. 8 läßt in Umrißlinien die drei zusammen- ^e5 gebauten Teilaggregate erkennen.

Bei dem Untersetzungsgetriebe 6, das in Fig. 2 in einein die Längsachse enthaltenden Schnitt in Einzelheiten dargestellt ist, handelt es sich um ein zweistufiges Planetengetriebe von im wesentlichen bekannter Ausführung, das eine Herabsetzung der Drehzahl im Verhältnis 10,55 :1 ermöglicht. Fig. 2 zeigt dieses Getriebe in derjenigen Stellung, die es einnimmt, wenn das Turbinenaggregat innerhalb eines senkrechten Bohrlochs betrieben wird; das Getriebe ist als selbständige Einheit ausgebildet, die sich zu Wartungsund Austauschzwecken leicht in das Gehäuse 7 des Turbinenaggregats einbauen bzw. aus ihm ausbauen läßt. Das Getriebe 6 besitzt ein Gehäuse 15 mit acht axialen Rippen 42 und 43, die an der Außenseite des Gehäuses in Abständen verteilt sind; in Fig. 2 sind nur einige dieser Rippen sichtbar; ferner umfaßt das Gehäuse einen gewölbten Deckel 40. Die Rippen 42 und 43 tragen Vorsprünge 44 bzw. 45 und passen entsprechend der an Hand von Fig. 7 und 8 gegebenen Beschreibung in Keilnuten, die in das Gehäuse 7 des Turbinenaggregats mit Hilfe von Räumwerkzeugen eingeschnitten sind. Das Gehäuse 15 ist gegen radiale Bewegungen innerhalb des Gehäuses 7 nur in der Nähe seiner Enden durch die Vorsprünge 44 und 45 gesichert, so daß es keinen Biegemomenten ausgesetzt ist, die durch den Bohrmeißel infolge exzentrischer Belastung aufgebracht werden könnten. Zur Aufnahme von Drehmomenten ist das Gehäuse 15 jedoch über die gesamte Länge der Rippen 42 und 43 abgestützt.

In dem gewölbten Deckel 40 sind einige Öffnungen 41 vorgesehen, um den Bohrschlamm in das Innere des Deckels in einen Raum gelangen zu lassen, der die Außenseite eines Druckausgleichsbalges 46 aus PoIytetrafluoräthylen umgibt, welcher ·—· wie unten beschrieben — vorgesehen ist, um die Strömungsinitteldrücke innerhalb und außerhalb des die Zahnräder aufnehmenden Hohlraums im wesentlichen auszugleichen und so das Eindringen von Bohrflüssigkeit in das in dem Hohlraum vorhandene Schmiermittel möglichst weitgehend auszuschalten. In das obere Ende des Balges 46 ist ein Entlüftungsventil 47 eingebaut, damit die Luft ausgetrieben werden kann, wenn der die Zahnräder enthaltende Raum mit dem Schmiermittel gefüllt wird. Die Basis des Balges 46 ist zwischen dem Flanschring 48 und dem Flansch 50 des Balges eingespannt; der Flanschring 48 ist mit dem Flansch 50 durch zwölf Schrauben 49 verbunden, von denen in Fig. 2 nur eine sichtbar ist. Der Tragflansch 50 für den Balg wird in dem Gehäuse 15 durch vier Flanschstifte 51 festgehalten, von denen man in Fig. 2 nur einen erkennt. In eine Nut am Umfang des Flansches 50 ist ein Dichtungsring 52 von kreisrundem Querschnitt eingesetzt, um das Durchtreten von Flüssigkeit zwischen der Innenfläche des Gehäuses 15 und der Außenfläche des Flansches 50 zu verhindern; die Zusammendrückung des Balges 46 durch die Bohrflüssigkeit steigert den Schmiermitteldruck innerhalb des das Getriebe enthaltenden Hohlraums, so daß der Druckabfall längs des Dichtungsrings vernachlässigbar klein ist. In dem Flansch 50 ist eine normalerweise mittels eines Stopfens 53 verschlossene öffnung vorgesehen, damit man das Getriebegehäuse mit Schmierstoff füllen bzw. den Schmierstoffvorrat ergänzen kann. Der Stopfen 53 trägt einen Dichtungsring 54 von kreisrundem Querschnitt.

Ein Welle 55, bei der es sich um die Antriebswelle der ersten Stufe des Untersetzungsgetriebes 6 handelt, trägt auf ihrem oberen Ende ein Sonnenrad 13, das durch einen Ring 56 in seiner Lage gehalten wird. Das Sonnenrad 13 kämmt mit drei Planetenritzeln 14, von denen in Fig. 2 nur eines zu erkennen ist, und diese Ritzel sind auf Bolzen 57 drehbar gelagert; zwischen den Lagerbolzen 57 und den Ritzeln 14 sind Lagerbuchsen 58, die vorzugsweise aus Wolframkarbid be-

stehen, angeordnet. Die Ritzellagerbolzen 57 sind an einem Planetenritzelkäfig 59 befestigt, der seinerseits mit dem Gehäuse 15 verkeilt ist. Halteringe 60, die in in dem Ritzelkäfig 59 vorgesehene Nuten hineinfedern, verhindern eine axiale Verlagerung der Ritzellagerbolzen 57. Ein Innenzahnkranz 16 kämmt mit den Planetenritzeln 14 und wird durch letztere angetrieben; dieser Innenzahnkranz besteht aus einem Stück mit einem zylindrischen Bauteil 61, das praktisch sowohl die angetriebene Welle der ersten Stufe'als auch die antreibende Welle der zweiten Stufe darstellt und die Welle 55 konzentrisch umgibt; innerhalb des Bauteils 61 sind Lagerbuchsen 62 und 63 vorgesehen, um ein Fressen für den Fall zu verhüten, daß infolge einer Abnutzung der Zahnräder eine Berührung mit der Welle 55 eintritt. Das Sonnenrad 17 der zweiten Getriebestufe ist auf das untere Ende der Hohlwelle 61 aufgesetzt und kämmt mit vier Planetenritzeln 39, von denen in Fig. 2 nur zwei sichtbar sind. Diese Planetenritzel 39 werden in dem Käfig 19 durch Planetenradlagerbolzen 64 sowie durch ebenfalls vorzugsweise aus Wolframkarbid bestehende Lagerbuchsen 65 unterstützt; wie bei der ersten Stufe sind auch hier Sicherungsringe 66 für die Lagerbolzen vorgesehen. Die Planetenritzel 39 kämmen mit dem feststehenden Innenzahnkranz 18, der mit dem Gehäuse 15 verkeilt ist. Der Ritzelkäfig 19 ist innerhalb des Gehäuses 15 durch ein oberes Lager 67 und ein unteres Lager 68 unterstützt, und die Welle 55 ist in dem Käfig 19 mittels einer Lagerbuchse 69 drehbar gelagert.

Das obere Lager 67 für den Planetenritzelkäfig ist in einen Lagertrag- und -abstandsring 70 eingebaut, der seinerseits mit dem Gehäuse 15 verkeilt ist; um das Lager 67 in seiner Lage zu halten, ist in den Abstandsring 70 eine Klemmschraube 71 eingesetzt. Der Abstandsring 70 wird zwischen den oberen Enden der Keilnuten in dem Gehäuse 15 und dem oberen Ende des Innenzahnkranzes 18 festgehalten, und ein weiterer Abstandsring 72 befindet sich zwischen dem Innenzahnkranz 18 und dem unteren Lager 68 für den Planetenritzelkäfig, das sich an einer in dem Gehäuse 15 vorgesehenen Schulter abstützt. Damit man dem die Zahnräder enthaltenden Hohlraum Schmierstoff zuführen kann, sind an mehreren Stellen zwischen den Planetenradlagerbolzen 64 normalerweise durch die Stopfen 73 verschlossene Öffnungen vorgesehen, die sich durch den Käfig 19 hindurch nach oben erstrecken. Die Stopfen 73 tragen Dichtungsringe 74 von kreisrundem Querschnitt.

Der Ritzelkäfig 19 trägt eine zylindrische Verlangerung 75, die als angetriebene Welle des Untersetzungsgetriebes 6 wirkt. Ein Dichtungsaggregat, das aus einem magnetischen Dichtungs- und Verschleißring 76, einem Dichtungsring 77 von kreisrundem Querschnitt und einem magnetischen Abdichtungsteil 78 besteht, das seinerseits einen Dichtungsring 78 a· von kreisrundem Querschnitt und eine Klemmschraube 78 b trägt, ist vorgesehen, um das Eindringen von Bohrflüssigkeit zwischen dem Käfig 19 und der Antriebswelle 55, d. h. in den die Zahnräder enthaltenden Hohlraum hinein, zu verhindern. In ähnlicher Weise ist ein Dichtungsaggregat, das aus einem Abdichtungsteil 79, einem Abdichtungs- und Verschleißring 80, einem Haltering 81, der in eine Nut in der Verlängerung 75 hineinfedert, sowie einem Dichtungsring 82 von kreisrundem Querschnitt besteht, zwischen der Verlängerung 75 und dem Gehäuse 15 vorgesehen. Das Abdichtungsteil 79 ist in dem Dichtungshaltering 83 befestigt, der seinerseits in dem Gehäuse 15 durch Klemmschrauben 84 in seiner Lage gehalten wird; das obere Ende dieses Halterings drückt gegen das untere Lager 68 des Planetenritzelkäfigs und hält es in seiner Lage. In eine Nut in der Außenfläche des Rings 83 ist ein Dichtungsring 85 von kreisrundem Querschnitt eingelegt, um eine Abdichtung zwischen der Außenfläche des Rings und der Innenfläche des Gehäuses 15 zu bewirken.

Keines dieser Dichtungsaggregate, die vorgesehen sind, um das Eindringen von Bohrflüssigkeit in den Getrieberaum an dessen unterem Ende zu verhindern, hat einem Druckabfall standzuhalten, der gleich dem vollen hydrostatischen Druck der Bohrflüssigkeit ist, denn der Druckausgleichsbalg 46 ist auf seiner Außenseite dem Druck der Bohrflüssigkeit ausgesetzt, die von dort aus durch die axialen Kanäle längs der Außenseite des Gehäuses 15 weiterströmt und infolgedessen das Schmiermittel innerhalb des Getrieberaums unter einem Druck hält, der praktisch sogar höher ist als der Druck der Bohrflüssigkeit an der Außenseite der Dichtungsaggregate, da innerhalb der Bohrflüssigkeit beim Durchströmen der Kanäle am Umfang des Gehäuses 15 ein geringer Druckabfall stattfindet. Aus diesem Grunde würde eher der Schmierstoff das Bestreben zeigen, längs der Abdichtungen aus dem Getrieberaum auszutreten, als daß Bohrflüssigkeit in den Hohlraum eintritt.

Sowohl die Antriebswelle 55 als auch die Verlängerung 75 des Ritzelkäfigs 19 sind mit Keilverzahnungen 86 bzw. 87 versehen, damit man die Läuferwelle 4 und die Bohrerwelle 5 gemäß Fig. 8 mit der antreibenden Welle 55 bzw. mit der angetriebenen Welle 75 des Untersetzungsgetriebes 6 derart kuppeln kann, daß die Teile durch eine einfache axiale Bewegung leicht voneinander gelöst werden können. Wenn man die Keilbahnen a'n der Läuferwelle 4 und der Bohrerwelle 5 ballig ausbildet, d. h., wenn man den Außenkanten der Keilbahnen eine geringe Krümmung in Längsrichtung gibt, kann man einen kleinen axialen Fluchtungsfehler zulassen, so daß beispielsweise von einer exzentrischen Bohrerbelastung herrührende Biegemomente nicht von der Läuferwelle 4 oder der Bohrerwelle 5 auf das Untersetzungsgetriebe 6 übertragen werden.

Die patronenförmige Turbine 1, die im wesentlichen aus dem Läufer 2 und dem Stator 3 besteht, ist in Fig. 3, die ebenso wie Fig. 2 einen Schnitt längs einer die Längsachse enthaltenden Ebene darstellt und im gleichen Maßstab gehalten ist wie Fig. 2, in Einzelheiten dargestellt. Um die Länge von Fig. 3 zu verringern, ist jedoch der Tragring 108 unterbrochen bzw. verkürzt dargestellt; die Länge dieses Tragrings ist derart, daß das Gewinde 128 (Fig. 8) das aus Fig. 7 B ersichtliche Gewinde aufnehmen kann. Mit der Läuferwelle 4 sind mittels zweier Längskeile 101, von denen in Fig. 3 nur einer sichtbar ist, sieben Läuferschaufelkränze 100 verkeilt. Axiale Bewegungen der Schaufelkränze oder -ringe 100 werden durch die Haltemutter 102 verhindert, die mit einer Klemmschraube 103 versehen ist uncl die Ringe 100 an eine am oberen Ende der Läuferwelle 4 vorgesehene Schulter andrückt. Die Laufschaufeln sind an den Ringen 100 in der üblichen Weise befestigt. Einzelheiten über die Schaufelform usw. werden weiter unten angegeben.

Die auf die Läuferwelle 4 wirkende axiale Schubkraft wird auf die Bohrerwelle 5 durch ein Läuferdrucklager 20 übertragen, das als Lager ausgebildet und am unteren Ende der Läuferwelle 4 vorgesehen ist. Dieses Lager wird durch Rippen oder Stege 109 unterstützt, die an dem Tragring 108 befestigt sind, der seinerseits — wie auch aus Fig. 8 ersichtlich — an

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seinem unteren Ende durch das Außengewinde 128 mit der Bohrerwelle 5 verbunden ist. Bei dem Lager 20 ist ein Lagerklotz 104 mit der Läuferwelle 4 durch einen Keil 105 verbunden. Die Unterseite des Klotzes 104 greift an den Lagerstücken 106 an, von denen in Fig¹. 3 nur eines sichtbar ist und die durch das Lagergehäuse 107 unterstützt werden, das von den Rippen

109 getragen wird, mittels deren es an dem Tragring 108 befestigt ist. Das untere Ende des Lagergehäuses 107 ist mittels eines Lagerdeckels 111 verschlossen, der in den Lagerkörper 20 eingeschraubt ist. In dem Raum zwischen dem Lagerklotz 104 und dem Lagergehäuse 107 ist ein Dichtungsaggregat vorgesehen, um zu verhindern, daß Bohrflüssigkeit in den Innenraum

110 des Lagers eindringt; dieses Dichtungsaggregat besteht aus einem Verschleißring 112, einem Dichtungsring 113 von kreisrundem Querschnitt, einem keilförmigen Ring 115 aus Kunststoff, einem Ring 114 aus Kohle bzw. Graphit und einer Anzahl von Federn 116 o, die in ein durch eine Klemmschraube 116 b festgehaltenes Dichtungsteil 116 eingesetzt sind. Ein federnder Ring 117 hält den Verschleißring 112 entgegen dem Druck der Federn 116 a in seiner Lage. Der Hohlraum 110 ist an seinem unteren Ende durch einen Faltenbalg bzw. eine Rohrmembran 118 verschlossen, die an dem Lagergehäuse 107 mittels eines ringförmigen Bauteils 119 befestigt ist; letzteres trägt einen Dichtungsring 120 von kreisrundem Querschnitt, um zu verhindern, daß Bohrflüssigkeit längs des Rings 119 in den Hohlraum 110 eindringt. Der Faltenbalg 118 wirkt als Druckausgleichseinrichtung, um den Strömungsmitteldruck in dem Hohlraum 110 im wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem Druck der außerhalb zirkulierenden Bohrflüssigkeit zu halten, welch letztere über den axialen Kanal in dem Kappenteil 111 Zutritt zu der Außenseite der Rohrmembran 118 hat. Zum Füllen bzw. Nachfüllen des Hohlraums 10 mit dem Schmiermittel dient der Kanal 121, der normalerweise durch einen mit einem Dichtungsring 123 von kreisrundem Querschnitt versehenen Stopfen 122 verschlossen ist. Ein Radiallager 124 stützt die Läuferwelle 4 innerhalb des Lagergehäuses 107 in radialer Richtung ab.

Das obere Ende der Läuferwelle 4 trägt eine Keilverzahnung 125, damit man die Läuferwelle mit der Antriebswelle 55 des Untersetzungsgetriebes kuppeln kann; die Keilbahnen 125 sind in der bereits angedeuteten Weise ballig ausgebildet.

Der Stator 3 setzt sich aus acht die Stator- bzw. Leitschaufeln tragenden Ringen 126 zusammen. In Fig. 4 sind die zusammengebauten Statorringe 126 — teilweise aufgeschnitten — perspektivisch dargestellt, wobei die Statorschaufeln fortgelassen sind, um die Darstellung deutlicher zu halten. Die Ringe 126 sind jeweils an einem Ende an der Außenseite und am anderen Ende auf der Innenseite abgestuft, so daß man sie gemäß Fig. 4 teilweise ineinanderschieben kann. Die Ringe besitzen zwei einander diametral gegenüberliegende Keilnuten 130, in die zwei Nasenkeile 127 federnd eingesetzt sind, um die Ringe miteinander zu verspannen. Diese Keile 127 stehen gegenüber den Außenflächen der Ringe 126 nach außen vor und dienen außerdem dazu, den Stator mit der Bohrerwelle 5 zu verkeilen, was an Hand von Fig. 8 noch erläutert wird. Am rechten Ende von Fig. 4, das dem unteren Ende von Fig. 3 entspricht, erstrecken sich die Keile 127 ein kleines Stück über den letzten Ring 126 hinaus, und diese vorspringenden Teile weisen Kerben bzw. Nuten 127 a auf, die gegebenenfalls das Entfernen der Keile erleichtern. In Fig. 3 erkennt man, daß die unteren Enden der Keile 127 mit dem Abstandsring 129 in Berührung stehen, dessen unteres Ende an dem Tragring 108 anliegt. Das Gewinde 128 an dem Tragring 108 läßt sich in ein entsprechendes Gewinde der Bohrerwelle 5 einschrauben, und zum Festhalten des Tragrings dient ein federnder Haltering. Er verspannt die Statorringe 126, den Abstandsring 129 und den Tragring 108 mit der innenliegenden Schulter der Bohrerwelle 5 (s. Fig. 8). Gemäß Fig. 3 ist die Lage des Stators 3,gegenüber dem Läufer 2 nicht vollständig bestimmt, und wenn die Turbine 1 vor dem Zusammenbau bzw. Einbau und während desselben als gesondertes Aggregat behandelt werden soll, kann es zweckmäßig sein, den Stator 3 dadurch in die richtige Lage zu bringen, daß man geschmolzenes Wachs in die Zwischenräume der Schaufeln eingießt und das Wachs erstarren läßt. Dieses Wachs läßt sich erforderlichenfalls leicht entfernen. Um eine Beschädigung der Statorschaufeln der ersten Stufe beim Zusammenbau oder während des Transports usw. zu verhindern, ist ein Schutzring 132 vorgesehen.

Die Turbine 1 besitzt sieben Stufen. Jeder Laufschaufeltragring 100 trägt 32 Schaufeln, während jeder Statorschaufeltragring 126 31 Schaufeln aufweist. Fig. 5 und 6 zeigen jeweils in größerem Maßstabe die Profile einer Laufschaufel und einer Leitschaufel, wobei in beiden Fällen die axiale Komponente des Bohrflüssigkeitsstroms durch einen gestrichelten Pfeil 131 angedeutet ist. Nachstehend sind weitere Einzelheiten der Beschaufelung zusammengestellt:

Schaufelbreite in Achsrichtung .... 1,27 cm

Axialer Spalt zwischen den

Schaufelkränzen 0,25 cm

Ringfläche 25,8 cm²

Breite des Ringes 1,31 cm

Schaufelhöhe 1,26 cm

Mittlerer Schaufeldurchmesser 6,29 cm

Mittlere Teilung der Läuferschaufeln 0,62 cm

Mittlere Teilung der Statorschaufeln 0,64 cm

Drehzahl des Läufers 4 gegenüber dem Gehäuse 7 bei der konstruktiv vorgesehenen Betriebsdrehzahl ... 5275 U/min

Drehzahl des Läufers 4 gegenüber der Bohrerwelle 5 bei der konstruktiv vorgesehenen Betriebsdrehzahl 5775 U/min

Mittlere Schaufelgeschwindigkeit bei der konstruktiv vorgesehenen Betriebsdrehzahl 19,2 m/s .

Wirbelgeschwindigkeit der aus dem Stator bei der konstruktiv vorgesehenen Betriebsdrehzahl austretenden Flüssigkeit 15,3 m/s

Axialgeschwindigkeit der Flüssigkeit bei einem Durchsatz von 2,3 m³/min (600 g. p. m.) 14,7 m/s

Die vorstehenden Zahlenangaben lassen erkennen, daß die Wirbelgeschwindigkeit der aus jedem Statorschaufelkranz austretenden Flüssigkeit unter den der Konstruktion zugrunde liegenden Bedingungen niedriger ist als die mittlere Umlaufgeschwindigkeit des Läufers. Die genannten Abmessungen wurden berechnet, um unter verschiedenen Betriebsbedingungen

eine einwandfreie Leistung zu gewährleisten, doch sei bemerkt, daß diese Abmessungen bei andersartigen Entwurfsbedingungen Änderungen unterworfen sind und daß man sie sogar bei ein und denselben Entwurfsbedingungen variieren kann. Zwar werden die angegebenen Werte bevorzugt verwendet, doch stellt dies keinen wesentlichen Gesichtspunkt dar, und man könnte an Stelle der vorstehend beschriebenen Turbine eine Turbine vorsehen, die sechs oder sieben Stufen mit einer gewöhnlichen Reaktionsbeschaufelung umfaßt. Die Turbine mit den angegebenen Werten weist jedoch eine besser geeignete Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik auf, welche das beim Durchbohren von Formationen unterschiedlicher Härte auftretende Steuer- bzw. Regelproblem leichter beherrschbar macht.

Fig. 7 zeigt das Lageraggregat 23 (vgl. Fig. 1 und 8) in einem die Längsachse enthaltenden Schnitt. Diese Figur besteht aus den beiden Teilen 7 a und 7 B, die im folgenden gemeinsam als Fig. 7 bezeichnet sind; das untere Ende von Fig. 7 a schließt sich an das obere Ende von Fig. 7 B an. Fig. 7 ist im gleichen Maßstabe gezeichnet wie Fig. 2 und 3, und der an der in Fig. 7 A eingezeichneten Bruchstelle fortgelassene Abschnitt besitzt eine solche Länge, daß die Gesamtlänge des vollständigen Turbinenaggregats zwischen seinen Schultern 120 cm beträgt.

Das Aggregat 23 besteht aus zwei Hauptteilen, nämlich der Bohrerwelle 5 und dem Gehäuse 7. Dieses Aggregat ist in Fig. 7 in derjenigen Lage dargestellt, die es bei einem Turbinenaggregat einnimmt, welches in einem senkrechten Bohrloch arbeitet; das obere Ende des Gehäuses 7 trägt ein Innengewinde 150, damit man das Gehäuse in der üblichen Weise mit dem unteren Ende eines Bohrgestänges, eines Bohrkragens oder einer Stößeleinrichtung verbinden kann. Das untere Ende der Bohrerwelle 5 ist mit einem Außengewinde 151 versehen, das es ermöglicht, die Welle mit einem Werkzeuganschlußstück 152 zu verbinden.

Ferner umfaßt das Aggregat 23 Axial- bzw. Drucklager 21 und 22 sowie ein Radiallager 153; diese in der üblichen Weise ausgebildeten Lager sind in dem Raum zwischen dem Gehäuse 7 und der Bohrerwelle 5 angeordnet. Die Lager 21, 22 und 153 sind gegen axiale Bewegungen durch eine Haltemutter 157 gesichert, die in ein Innengewinde des Gehäuses 7 eingeschraubt ist.

Um zu verhindern, daß Bohrschlamm in den die Lager 21, 22 und 153 enthaltenden Hohlraum 154 eindringt, sind Dichtungsaggregate 155 und 156 vorgesehen, die ebenso ausgebildet sind wie die Abdichtungen des das Drucklager 20 für die Läuferwelle 4 enthaltenden Hohlraums.

Oberhalb des Dichtungsaggregats 155 befindet sich ein weiterer Hohlraum 158 zwischen dem stromlinienförmigen Führungsstück 159, dem Gehäuse 7 und der Bohrerwelle 5. Das stromlinienförmige Führungsoder Einsatzstück 159, dessen gekrümmte Oberseite einen Teil der Innenfläche der Kanäle für die Bohrflüssigkeit bildet (Fig. 1), ist mit dem Gehäuse 7 durch Klemmschrauben 171 verbunden; zwischen der Innenfläche des Einsatzstücks 159 und der Oberfläche der Bohrerwelle 5 verbleibt ein enger radialer Spalt, so daß während des Betriebes Bohrflüssigkeit in den Hohlraum 158 eintreten kann. Dieser Hohlraum enthält eine Druckausgleichseinrichtung für den Lagerraum 154 in Gestalt von zwei ringförmigen Balgen 160 und 161, die an ihren oberen Enden durch eine Abdichtungsplatte 162 miteinander verbunden und an einem ringförmigen Bauteil 163 befestigt sind. Diese Einrichtung ist an ihrer Außenseite dem hydrostatischen Druck der Bohrflüssigkeit ausgesetzt, bevor diese durch die Turbine 1 hindurchströmt, und sie hat die Aufgabe, den Druck des Schmierstoffs innerhalb des Lagerraums 154 auf einen im wesentlichen ebenso großen Wert zu steigern, um das Durchtreten von Flüssigkeit längs der Dichtungsaggregate 155 und 156 möglichst weitgehend auszuschalten. Allerdings stellt

ίο sich an dem Dichtungsaggregat 156 ein Druckunterschied ein, der dem Druckabfall in der Turbine 1 entspricht.

Ein Dichtungsring 164 von kreisrundem Querschnitt liegt in einer Nut an der Außenseite des Rings 163, um eine Abdichtung zwischen der Außenfläche des Rings und der Innenfläche des Gehäuses 7 zu bewirken; ein weiterer Dichtungsring 165 von kreisrundem Querschnitt ist zwischen dem Tragring 163 und einem Verschleiß- oder Anlaufring 166 vorgesehen. Durch

ao einen Abstandsring 188 wird der Ring 163 gegen eine innerhalb des Gehäuses 7 ausgebildete Schulter gedrückt und in einem Abstand von dem stromlinienförmigen Einsatzstück 159 gehalten. Dem Hohlraum 154 kann man erforderlichenfalls ein Schmiermittel durch den Kanal 167 hindurch zuführen, der normalerweise durch einen Stopfen 168 verschlossen ist, der einen Dichtungsring 169 von kreisrundem Querschnitt trägt und in der Öffnung 167 durch einen federnden Ring 170 festgehalten wird.

Ein weiteres Dichtungsaggregat, das aus einem inneren Tragring 172, einem Packungs- oder Füllring 173, einer Anzahl von Dichtungsmanschetten 174, einem Füllring 175, einem Dichtungsgehäuse 176 und einem äußeren Tragring 177 besteht, ist unterhalb des Dichtungsaggregats 156 angeordnet, um den Spalt zwischen dem unteren Ende des Gehäuses 7 und der Bohrerwelle 5 abzudichten. Öffnungen bzw. Kanäle 184 in der Bohrerwelle 5 und entsprechende Kanäle 184 c (Fig. 3) in dem Tragring 108 der Turbine 1 ermögliehen es, daß Bohrflüssigkeit von dem Auslaßraum der Turbine aus in den Hohlraum 183 außerhalb des Dichtungsaggregats 156 eintritt. Der Druckabfall längs des Aggregats 156 ist dann nur gleich dem Druckabfall längs der Turbine X₁ während der Druckabfall längs dem erwähnten weiteren Dichtungsaggregat gleich dem Druckabfall zwischen dem Turbinenauslaßraum und dem Bohrloch außerhalb des Gehäuses 7 ist. Das Gehäuse 176 des zusätzlichen Dichtungsaggregats ist in axialer Richtung durch einen federnden Haltering 178 festgelegt. In einer Nut an der Außenseite des Dichtungsgehäuses 176 ist ein Dichtungsring 179 von kreisrundem Querschnitt vorgesehen, um eine Abdichtung zwischen der Außenfläche des Gehäuses 176 und der Innenfläche des Gehäuses 7 zu bewirken. Der äußere Dichtungstragring 177, der durch den Sprengring 178 stets unverlierbar festgehalten wird, wird während des Betriebes mit dem Werkzeuganschlußstück 152 durch eine Klemmschraube 180 verbunden, die durch einen Sprengring 181 gegen eine Lockerung gesichert ist. Ein weiterer Dichtungsring 182 von kreisrundem Querschnitt liegt in einer Nut des Werkzeuganschlußstücks 152.

Das Lageraggregat 23 weist ferner verschiedene Merkmale auf, welche den Zusammenbau des Turbinenaggregats und seinen Betrieb betreffen. Hierzu gehören die Keilbahnen 185 am oberen Ende der Bohrerwelle 5, die in eine entsprechende Keilverzahnung in der Verlängerung 75 (Fig. 2) der angetriebenen Welle des Getriebes 6 (Fig. 8) passen. Ebenso wie die Keilbahnen 125 (Fig. 3) der Läuferwelle 4 sind die Kanten der

15 16

Keilbahnen 185 in Längsrichtung leicht gewölbt oder Fläche 205 des oberen Endes des stromlinienförmigen ballig ausgebildet, so daß bei exzentrischer Belastung Einsatzstücks 159 (Fig. 7) des Lageraggregats 23 ein Fluchtungsfehler zwischen den Achsen zulässig durchströmt, um schließlich durch die Kanäle 190 in ist. Außerdem sind das obere Ende der Bohrerwelle 5 Bohrerwelle zum Einlaß der Turbine zu gelangen,
durchsetzende Kanäle 190 vorgesehen, damit die Bohr- 5 Um eine ausreichende Kühlung des Untersetzungsflüssigkeit aus dem Raum an der Außenseite des Ge- getriebes des erfindungsgemäßen Turbinenaggregats häuses 15 des Getriebes 6 zum Einlaß der Turbine 1 zu gewährleisten, kann man einen Wärmeaustauscher strömen kann (Fig. 8). Ein am unteren Ende der vorsehen, durch den die in dem Untersetzungsgetriebe Bohrerwelle 5 vorgesehenes Innengewinde 29 dient entwickelte Wärme auf das die Turbine durchzur Aufnahme des Außengewindes 128 der Turbine 1; io strömende Strömungsmittel übertragen wird. Bei dem ferner ist eine Nut 192 vorgesehen, die einen Spreng- an Hand von Fig. 1 bis 8 beschriebenen Turbinenring aufnimmt; am unteren Ende des Werkzeug- aggregat kann man somit einen Wärmeaustauscher anschlußStücks 152 wird ein Sieb 186 durch einen vorsehen, durch den hindurch das Schmiermittel für Sprengring 187 in seiner Lage gehalten; dieses Sieb das Getriebe zirkuliert und in welchem das Schmierverhindert, daß im Falle des Zurückströmens von 15 mittel durch thermische Berührung mit der Bohr-Bohrflüssigkeit grobe Feststoffe in die Turbine ge- flüssigkeit gekühlt wird.

langen. An der Innenseite des Gehäuses 7 sind Keil- Ein Ausführungsbeispiel für ein Aggregat, das ein

bahnen 191 zur Aufnahme der Rippen 42 und 43 des Getriebe und einen Wärmeaustauscher umfaßt, ist in

Gehäuses 15 des Getriebes 6 ausgebildet. Fig. 9 im Längsschnitt dargestellt. Das Getriebe ist

Nachstehend wird der Zusammenbau der verschie- 20 im wesentlichen ebenso ausgebildet wie das in Fig. 1

denen Teilaggregate an Hand von Fig. 8 erläutert, die und 2 gezeigte, weshalb die entsprechenden Bauteile

einen Längsschnitt durch das gesamte Turbinen- in Fig. 9 jeweils mit den gleichen Bezugsziffern

aggregat wiedergibt; Fig. 8 ist jedoch nicht im gleichen bezeichnet sind.

Maßstabe gezeichnet wie Fig. 2,3 und 7. Das Getriebe 6 ■ Fig. 9 läßt erkennen, daß der Wärmeaustauscher bildet eine konstruktive Einheit und läßt sich von oben 25 210 aus einem zylindrischen äußeren Mantel 211 und in das Gehäuse 7 des Aggregats 23 einschieben, nach- einem gleichachsig angeordneten zylindrischen inneren dem man das Werkzeuganschluß stück 200 entfernt Mantel 212 besteht, innerhalb dessen sich ein zentraler hat, das gemäß Fig. 8 in das Innengewinde 150 am Kanal 216 erstreckt. In dem Raum zwischen den Mänoberen Ende des Gehäuses 7 eingeschraubt ist. Beim teln 211 und 212 ist ein schraubenlinienförmig gewun-Einschieben des Getriebeaggregats 6 von oben gleiten 30 dener Metallstreifen 213 derart befestigt, daß ein die Rippen 42 und 43 in die Keilnuten 191 in dem schraubenlinienförmiger Kanal 219 gebildet wird. Der Gehäuse 7_} bis ein geteilter Tragring 201., der federnd äußere Mantel 211 paßt mit Gleitsitz in eine axiale in den Raum hinter den Vorsprüngen 44 der Rippen Bohrung im oberen Ende 214 des Gehäuses 15 für das 42 paßt, an einer Schulter 202 an der Innenseite des Getriebe 6 und kann sich somit gegenüber dem GeGehäuses 7 anstößt. Vor dem Festziehen des Werk- 35 häuse 15 axial bewegen. Der Spalt zwischen dem zeuganschlußStücks 200 wird ein konischer Ring 203 unteren Ende des Mantels 211 und dem Gehäuse 15 eingesetzt, durch den das Getriebeaggregat 6 endgültig ist durch einen ausziehbaren Faltenbalg 215 überbrückt, festgespannt wird. W^renn das Getriebe 6 richtig einge- Dieser Faltenbalg hält das Schmiermittel zurück, das baut ist, greift die Keilverzahnung 185 der Bohrer- während des Betriebes aus dem oberen Ende der welle in die Keilverzahnung 87 (Fig. 2) in der Ver- 40 Kanäle 218 austritt, um in den Kanal 219 des Wärmelängerung 75 (Fig. 2) des Ritzelkäfigs 19 ein, wobei austauschers 210 einzuströmen, und gleichzeitig arman die Bohrerwelle 5 vom unteren 'Ende aus derart beiten der äußere Mantel 211 und der Faltenbalg 215 dreht, daß sich die Keilverzahnungen ineinander- wie eine Druckausgleichseinrichtung zusammen, um schieben lassen. im wesentlichen einen Druckausgleich zwischen dem

Die Turbine 1, bei welcher der Stator 3 gegenüber 45 Druck des Schmiermittels innerhalb des Wäremausdem Läufer 2 durch erstarrtes Wachs festgehalten tauschers 210 und des Gehäuses 15 einerseits und dem wird, wird in die Bohrerwelle 5 vom unteren Ende aus Druck der Bohrflüssigkeit in dem Kanal 10 anderereingeführt, nachdem man das Werkzeuganschlußstück -seits herbeizuführen und so die Gefahr zu vermindern, 152 abgenommen hat. Die Nasenkeile 127 des Sta- daß Bohrflüssigkeit durch die verschiedenen Dichtuntors 3 gleiten in die Keilnuten 189 der Bohrerwelle 5 50 gen hindurchtritt. Die Kanäle 218 stehen mit den mit hinein, und schließlich muß die Keilverzahnung 125 Schmierstoff gefüllten Hohlräumen innerhalb des Geam oberen Ende der Läuferwelle mit der Innenkeil- häuses 15 in Verbindung, und das untere Ende des verzahnung 86 der Welle 55 des Getriebes 6 in Ein- zentralen Kanals 216 ist über die Kanäle 217 an die griff gebracht werden, wozu man die Turbine 1 gegen- gleichen Hohlräume angeschlossen,
über dem Gehäuse 7 vorsichtig verdreht, um die Keil- 55 Während des Betriebes des Turbinenaggregats wird verzahnung in Eingriff zu bringen. Schließlich wird das Schmiermittel durch die Pumpwirkung der Zahndie Turbine 1 endgültig befestigt, indem man* das Ge- räder durch den Wärmeaustauscher 210 hindurch umwinde 128 in das Gewinde 29 einschraubt und in die gewälzt. An sämtlichen Eingriffstellen der Zahnräder Nut 192 einen Sprengring einsetzt. Abschließend wird wird das Schmiermittel in die sich voneinander entgemäß Fig. 7 das Werkzeuganschlußstück 152 auf- 60 fernenden Zähne hineingezogen bzw. angesaugt und geschraubt, nachdem man den Dichtungsring 182 ein- aus dem Raum zwischen den sich aufeinander zu begebaut hat, und man befestigt den Dichtungstragring wegenden Zähnen herausgedrückt; bei einem Sonnen-177 in seiner Lage, indem man die Klemmschraube rad, vier Planetenritzeln und einem Zahnkranz sind 180 festzieht und diese mit Hilfe des Sprengrings 181 somit acht Stellen vorhanden, an denen eine Ansaugsichert. 65 wirkung auftritt, sowie acht Stellen, an denen auf das Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß die Bohrflüssigkeit nach Schmiermittel ein Druck aufgebracht wird. Es beihrem Austreten aus den Kanälen zwischen dem Ge- stehen zahlreiche Möglichkeiten, um das so geförderte häuse 7 und dem Gehäuse 15 den Raum zwischen der ge- Schmiermittel je nach dem gewünschten Zirkulationskrümmten Endfläche 204 des Dichtungshalterrings 83 volumen weiterzuleiten. Bei der Konstruktion nach (Fig. 2) des Getriebes 6 und der gegenüberliegenden 70 Fig. 9 ist angenommen, daß allein die zweite Stufe

des Getriebes 6 die erforderliche Schmierstoffumwälzung übernehmen kann, wobei das aus dem Wärmeaustauscher 210 abgesaugte Schmiermittel über die Kanäle 217 angesaugt und über die Kanäle 218 zu dem Wärmeaustauscher zurückgefördert wird. Man kann die Druckerhöhungsstellen zwischen dem Sonnenrad 17 und den Planetenritzeln sowie zwischen letzteren und dem Zahnkranz 18 durch in dem Käfig 19 vorgesehene, hier jedoch nicht dargestellte Kanäle parallel schalten. In ähnlicher Weise kann man die Ansaug- ίο stellen parallel schalten. Wenn auf diese Weise eine zu große Schmierstoffmenge umgewälzt wird, kann es erwünscht sein, einen Teil dieser Menge kurzzuschließen, z. B. mit Hilfe von Kanälen in dem Käfig 19, welche die Druckerzeugungsstellen am Umfang des Sonnenrades 17 mit den Ansaugstellen am Umfang des Zahnkranzes 18 verbinden. Es kann ferner erwünscht sein, dafür zu sorgen, daß ein Teil des gepumpten Schmiermittels durch Nuten in den Planetenritzellagerbolzen strömt, damit ein ständiger Austausch des Öls in diesen Lagern gewährleistet ist. Nötigenfalls kann man auch die Ritzel der ersten Getriebestufe in ähnlicher Weise als Pumpen verwenden. Gemäß Fig. 9 strömt das Schmiermittel durch die Kanäle 218 in den schraubenlinienförmigen Kanal 219 ein und kommt somit in Berührung mit der Innenfläche des äußeren Mantels 211. Die durch den Kanal 10 zu der Turbine 1 strömende Bohrflüssigkeit überspült die Außenfläche des Mantels 211, und diese Bohrflüssigkeit befindet sich normalerweise auf einer niedrigeren Temperatur als der Schmierstoff in dem Kanal 219, so daß der Schmierstoff über den Mantel 211 Wärme an die Bohrflüssigkeit abgibt. Der in dem Wärmeaustauscher 210 abgekühlte Schmierstoff strömt durch den zentralen Kanal 216 und die Kanäle 217 zu dem Getriebe 6 zurück. Bei dieser Zirkulation des Schmierstoffs wird die in dem Getriebe 6 erzeugte Wärme auf die Bohrflüssigkeit übertragen, und somit wird eine übermäßige Erwärmung des Getriebes 6 vermieden. 4·°

Es sei bemerkt, daß man hinsichtlich der konstruktiven Einzelheiten der erfindungsgemäßen Turbinenaggregate zahlreiche Änderungen vornehmen kann. Es ist z. B. möglich, ein Drucklager für die Läuferwelle 4 in dem Untersetzungsgetriebe 6 anzuordnen. ⁴S In diesem Falle kann die Läuferwelle 4 ihren Axialschub über einen langen Bolzen, der in ein kleines Loch, das sich durch den Läufer 4 hindurch erstreckt, eingeschraubt ist, auf die Welle 55 übertragen. Die' Schubkraft des Läufers kann dann über einen flüssigkeitsgefüllten Ring (joint ring), der zwischen dem Planetenritzelkäfig 19 und der Bohrerwelle 5 angeordnet ist, wieder zurück zu der Bohrerwelle 5 übertragen werden, und man kann nunmehr das Drucklager 20 durch ein einfaches Gleitlager ersetzen.

Ferner kann man die Schmierstoffräume in dem Untersetzungsgetriebe 6 sowie in den Drucklagern 21 und 22 z. B. mittels eines oder mehrerer Kanäle in dem Gehäuse 7 miteinander verbinden, wobei man Mittel vorsieht, um das Eindringen von Bohrflüssig- keit in diese Hohlräume zu verhindern, wenn das Untersetzungsgetriebe 6 ausgebaut wird. In diesem Falle kann man die Faltenbälge 160 und 161 und ebenfalls das Dichtungsaggregat 156 und die Löcher 184 fortlassen. Die Abdichtung erfolgt dann durch die Dichtungsmanschetten 174, die als in beiden Richtungen wirkende Dichtung angeordnet sein müssen, so daß keine Bohrflüssigkeit in die Lagerhohlräume eintreten kann, wenn das Bohrwerkzeug in ein Bohrloch abgesenkt wird.

Darüber hinaus ist es möglich, die Faltenbälge der verschiedenen Druckausgleichseinrichtungen, z. B. den Faltenbalg 46., durch biegsame Beutel zu ersetzen, die in Schutzgehäusen angeordnet sind. Hierdurch würde es leichter, dem Aggregat jedesmal dann, wenn es aus dem Bohrloch herausgezogen wird, Schmierstoff zuzuführen; für diesen Zweck müßte man an geeigneten Stellen durch Stopfen verschlossene Einfüllöffnungen vorsehen.

Claims (17)

Patentansprüche:

1. Bohrturbine für Tiefbohrungen mit einem äußeren Gehäuse, einem Stator, einem Läufer und einem Planetenuntersetzungsgetriebe, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuse (7), Stator (3) und Läufer (2) durch das Planetengetriebe (6) miteinander gekuppelt und relativ zueinander drehbar sind, wobei einer der drei relativ zueinander drehbaren Teile (Gehäuse, Stator und Läufer) mit dem Gestänge und ein anderer dieser Teile mit dem Bohrmeißel verbindbar ist.

2. Bohrturbine nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuse mit dem Bohrgestänge verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator mit dem Bohrmeißel verbindbar ist.

3. Bohrturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator in einem an dem Gehäuse angebrachten Axialdrucklager gelagert ist, das den Stator umgibt.

4. Bohrturbine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer in einem mit dem Stator fest verbundenen Axialdrucklager gelagert ist.

5. Bohrturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Getriebe abgewandte Ende des Läufers in einem Axialdrucklager gelagert ist.

6. Bohrturbine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaufelung der Turbine derart ausgebildet ist, daß beim Antrieb die Wirbelgeschwindigkeit der jeden Statorschaufelkranz verlassenden Flüssigkeit kleiner ist als die Drehgeschwindigkeit der Läuferschaufeln bei der konstruktiv vorgesehenen Drehzahl.

7. Bohrturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine vier bis acht Beschaufelungsstufen umfaßt.

8. Bohrturbine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelteilung der Beschaufelung kleiner ist, als es zur Erzielung des optimalen Wirkungsgrades bei der konstruktiv vorgesehenen Drehzahl erforderlich wäre.

9. Bohrturbine nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit während des Betriebes mit der konstruktiv vorgesehenen Drehzahl im Bereich des 0,6- bis 0,9fachen der Läuferschaufelgeschwindigkeit gegenüber der Bohrerwelle am mittleren Schaufeldurchmesser liegt.

10. Bohrturbine nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile der Schaufeln auf den Geschwindigkeitsvektordiagrammen für eine Drehzahl basieren, die gleich der halben konstruktiv vorgesehenen Drehzahl ist.

11. Bohrturbine nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferwelle mit dem Sonnenrad der ersten Getriebestufe gekuppelt ist, daß der Stator mit dem Planetenritzelkäfig der

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zweiten Getriebestufe gekuppelt ist, daß der Planetenritzelkäfig der ersten Stufe und der Zahnkranz der zweiten Stufe am Gehäuse des Getriebes befestigt sind und daß der Zahnkranz der ersten Stufe mit dem Sonnenrad der zweiten Stufe gekuppelt ist.

12. Bohrturbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe zu einer geschlossenen konstruktiven Einheit zusammengefaßt ist.

13. Bohrturbine nach Anspruch 12, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß das Getriebe in ein einziges Gehäuse eingeschlossen ist, das mit Schmierstoff gefüllt ist und einen biegsamen Faltenbalg oder eine Rohrmembran od. dgl. umfaßt, welche die Strömungsmitteldrücke innerhalb und außerhalb des Getriebegehäuses im wesentlichen ausgleichen.

14. Bohrturbine nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe mit dem Läufer und dem Stator durch Keilverzahnungen derart gekuppelt ist, daß ein Entfernen des Getriebes durch eine einfache Bewegung in axialer Richtung möglich ist.

15. Bohrturbine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilverzahnungen ballig ausgebildet sind.

16. Bohrturbine nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsgetriebe mit einem Wärmeaustauscher ausgerüster ist, mittels dessen die in dem Untersetzungsgetriebe erzeugte Wärme auf das die Turbine während des Betriebes durchströmende Strömungsmittel übertragen werden kann.

17. Bohrturbine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebeschmiermittel während des Betriebes durch das Arbeiten der Zahnräder durch den Wärmeaustauscher hindurchpumpbar ist, wo das Schmiermitteli durch thermische Berührung mit dem erwähnten Strömungsmittel gekühlt wird, bevor es wieder zu dem Getriebe zurückkehrt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Erdoel-Zeitschrift«, Juli 1955, S. 98,100,101 und 103.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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