DE1090607B - Kupplungsvorrichtung zum axialen, leicht loesbaren Verbinden der Wellen von Tiefbohrmotorsektionen, insbesondere von Bohrturbinen - Google Patents

Description

Eine der bei dem Betrieb von Tiefbohrmotoren, insbesondere von Bohrturbinen für Erdölbohrlöcher, entstehenden Schwierigkeiten besteht in der Notwendigkeit, häufig den Motor ganz oder teilweise auseinanderzunehmen, um die sich im Betrieb schnell abnutzenden Teile auszutauschen oder zu reparieren. Diese Teile sind vor allem das Druck- bzw. Axiallager, das untere Turbinenlager und eventuell noch gewisse zusätzliche Vorrichtungen, z. B. eine Bremse, die in dem Motor eingebaut sein kann. Das vollständige Auseinandernehmen bzw. Wiederzusammenbauen des Motors verursacht jedesmal beträchtliche Kosten sowie einen größeren Zeitaufwand und besonders ausgerüstete Werkstätten.

Um mit Bohrturbinen hohe Drehmomente zu erzielen, ist es erforderlich, Turbinen größerer Länge zu verwenden. Nun ist die notwendige Länge manchmal so groß, daß es unmöglich ist, die kompletten Turbinen einstückig, d. h. als Ganzes, zu transportieren oder sie in dieser Form in den Bohrturm einzustellen. Gelöst wird dieses Problem dadurch, daß die Turbine aus zwei oder mehreren Sektionen erstellt wird, die getrennt transportiert und dann im Bohrturm zusammengefügt werden. Um die verwendete Turbine den jeweiligen Bohrverhältnissen (Gelände, Werkzeug, Charakteristik der Pumpen, Abweichungswinkel u. a. m.) auf das Bestmögliche anzupassen, ist es erwünscht, in unmittelbarer Nähe der Bohrstelle über eine größere Anzahl von einsatzbereiten Turbinen verschiedener Typen und Charakteristiken zu verfugen. Es ist also wünschenswert, die Charakteristiken der im Betrieb befindlichen Turbinen durch Einfügen oder Abnehmen gewisser Bauteile nach den betrieblichen Erfordernissen schnell verändern zu können.

Es ist bei Sektionsturbinen auch bereits bekannt, das Drehmoment von der oberen auf die untere Sektion mit Hilfe einer konischen FriktionsmufTe zu übertragen. Ferner werden bei einer weiteren bekannten Sektionsturbine die Wellen durch eine geschlitzte Muffe, die aus zwei Halbmuffen besteht, zusammengesetzt, d. h., die Sektionen weisen Anlageflächen auf, die miteinander zusammenarbeiten, um die Übertragung des Drehmomentes zu gewährleisten.

Bei den bekannten Einrichtungen entstehen jedoch Schwierigkeiten beim Zusammenbauen der Sektionen,. z. B. bei der Verbindung der Wellen, die nach Zusammensetzung der Sektionen nicht mehr zugänglich sind.

Geschieht ferner der Antrieb mittels einer Reibungskupplung mit Innen- und Außenkonusssen, so können sich unter Umständen die aufeinanderfolgenden Wellenschüsse voneinander trennen, z. B. wenn der Flüssigkeitsumlauf sinkt und der hydraulische auf die Welle ausgeübte Axialdruck nachläßt oder gleich Null wird.

Kupplungsvorrichtung zum axialen,
leicht lösbaren Verbinden der Wellen

von Tiefbohrmotorsektionen,
insbesondere von Bohrturbinen

Anmelder:

Wladimir Tiraspolsky,

Issy-les-Moulineaux,

und Roger Francois Rouviere,

Aureilhan, Hautes-Pyrenees (Frankreich)

Vertreter: Dipl.-Ing. J. Buschhoff, Patentanwalt,
Köln, Kaiser-Wilhelm-Ring 24

Beanspruchte Priorität:
Frankreich, vom 31. Oktober 1956

Wladimir Tiraspolsky, Issy-les-Moulineaux,

und Roger Frangois Rouviere,

Aureilhan, Hautes-Pyrenees (Frankreich),

sind als Erfinder genannt worden

Es ist bereits versucht worden, die Kupplungskonusse mit Keilsystemen zu versehen. Dadurch wird wohl der radiale Antrieb mit Sicherheit gewährleistet, jedoch behalten die zusammengesetzten Wellenschüsse ein Axialspiel, welches zu einer Berührung zwischen den Rotor- und Statorelementen führen kann.

Die Erfindung erlaubt die Vermeidung dieser und anderer Nachteile und gestattet den Bau langer Turbinen, die eine beliebige Anzahl von Sektionen aufweisen können, wobei eine positive mechanische Verbindung der zusammengesetzten Wellen sichergestellt ist. Außerdem kann die Montage bzw. Demontage auf der Baustelle leicht durchgeführt werden.

Gegenstand der Erfindung ist eine Kupplungsvorrichtung zum axialen, leicht lösbaren Verbinden der Wellen von Tiefbohrmotorsektionen, insbesondere von Tiefbohrturbinen, mit am Ende jeder Sektion zusammenwirkenden Anlageflächen zur Übertragung des Drehmomentes, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch die Anlageflächen mittels Spannmuttern zusammenpressende zentrale Zuganker oder mittels Druckfedern belastete, mit den Anlageflächen versehene Bajonettverbindungen.

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Diese Anlageflächen der Kupplungsvorrichtung können eben, konisch, schraubenförmig oder sonstwie ausgestaltet sein, und zwar vorzugsweise derart, daß sie die Übertragung eines Drehmomentes, unbeachtet der Drehrichtung, sowie axialer Zug- und Druckkräfte und vorteilhaft die relative Zentrierung der auf diese Weise zusammengefügten Motor- bzw. Turbinenteile gewährleisten können.

Das bzw. die verwendeten federnden Organe können aus einem bzw. mehreren Spanngliedern bestehen, die Teile der beiden Glieder verbinden, oder aus z. B. auf Druck arbeitenden Federn, die zwischen den Gliedern eingeschaltet sind, um die Anlageflächen gegeneinander anzudrücken.

Die Mittel, welche ein schnelles Ein- und Auskuppeln ermöglichen, können aus Sperrteilen, z.B. Muttern, Stiften, Klemmkeilen usw. bestehen, die auf das bzw. die federnden Organe einwirken, um sie in einer das Anpressen der Anlageflächen gegeneinander bewirkenden Arbeitsstellung zu halten, oder durch eine entsprechende geeignete Verteilung der Anlageflächen erzielt werden, die es gestattet, sie z. B. durch eine Drehbewegung entgegen dem elastischen Widerstand der das Andrücken der Anlageflächen aneinander bewirkenden Organe in Eingriff zu bringen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Anlageflächen auf am Ende der Turbinensektionen befindlichen Ansätzen vorgesehen sind, wird der in einem Ansatz einer Sektion verankerte und über die ganze Länge der anschließenden Sektion in einer zentralen Bohrung verlaufende, als Zugstange ausgebildete Zuganker am entgegengesetzten Ende der anschließenden, mit einem Anschlag versehenen Sektion durch die Mutter verspannt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in der Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Schuß einer Bohrturbine, bestehend aus mehreren mittels einer Vorrichtung nach der Erfindung gekuppelten Gliedern, im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie H-II in Fig. 1, jedoch gemäß einer anderen Ausführungsvariante,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsvariante im Längsschnitt,

Fig. 4 eine Kupplungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform im Längsschnitt,

Fig. 5 und 6 Einzelheiten im Querschnitt nach der Linie VII-VIII in Fig. 4,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsvariante im Längsschnitt und

Fig. 8 einen Querschnitt nach der Linie X-X in Fig. 7.

In Fig. 1 und 2 ist eine Kupplung zwischen zwei benachbarten Turbinenabschnitten einer Bohrturbine dargestellt. Der dargestellte Abschnitt besteht aus einem Körper 1, in dem Statorstufen 2 und Distanzringe 3 abwechselnd angeordnet sind. Ein Lagerkörper ist ebenfalls angeordnet. Die verschiedenen Teile 2, 3, 4 werden bei der Montage in dem Körper 1 durch Endmuffen 5, 6 zusammengedrückt, um eine unabhängige Baueinheit zu bilden. Der Turbinenabschnitt weist ferner einen Rotor auf, der aus einer Welle 7 besteht, auf der ein Lagerring 8 und mit Distanzringeu 10 abwechselnde Rotorstufen 9 angeordnet sind. Diese verschiedenen Teile 8, 9 und 10 werden zwischen den Ansätzen 11, 12,, die an den Gewindeenden der Welle aufgeschraubt sind, zusammengedrückt, so daß der Rotor ebenfalls eine unabhängige Baueinheit bildet. Die Ansätze 11., 12 besitzen freie konische Enden 13 und 14, die dazu bestimmt sind, die Verbindung der Welle 7 mit den anderen Wellen, mit denen sie verbunden werden sollen, herzustellen. So erhält man unabhängige Turbinensektionen, die zu einer kompletten Turbine zusammengebaut werden können.

Der Stator der einen Sektion kann mit dem Stator der anschließenden Sektion dadurch verbunden werden, daß auf die zu der einen Sektion gehörende Muffe 5 eine Muffe 6' aufgeschraubt wird. Die Verbindung zwischen den Rotoren der Sektionen ist durch ineinandergreifende Konusse 13,14 der Ansätze 11,12 sichergestellt, die an den Enden der Welle 7 befestigt sind. Die untere Turbinensektion weist eine Welle T auf, auf welcher ein Ansatz 15 befestigt ist, der eine konische Bohrung aufweist, die den Kegelstumpf 13 aufnimmt. Dieser Ansatz 15 besitzt ein Blindloch 16 mit Gewinde, in welchem das untere Gewindeende eines sich erfindungsgemäß zentral durch eine Bohrung der Ansätze 11,12 und der Welle 7 erstreckenden Zugankers 17 eingeschraubt ist. Das obere, ebenfalls mit Gewinde versehene Ende des Zugankers 17 ragt in eine Gegenbohrung des Ansatzes 12 hinein und nimmt eine Spannmutter 18 auf. Auf diese Weise werden bei Spannung der Mutter 18 die Anlageflächen zusammengepreßt. Bei der Montage wird der Anker 17 in die erwähnte Bohrung der Welle 7 eingeführt. Die Verspannung gewährleistet die drehfeste Verbindung der Rotorsektionen mittels der Konusse 13 und 15, die gegeneinander gepreßt werden. Alle Kräfte (Drehmoment, Zugspannung usw.) können auf diese Weise von einer Rotoreinheit auf die andere übertragen werden. Wie aus dem oberen Teil der Fig. 1 ersichtlich ist, ist die Mutter 18 lang bzw. hoch genug, um das untere Ende eines anderen nicht dargestellten Gliedes aufzunehmen, welches zur Verbindung mit der oberen Rotoreinheit dient.

Bei der Ausführungsform, die in Fig. 2 im Querschnitt dargestellt ist, weisen die ineinandergreifenden Außen- und Innenkonusse Nuten 19 und 20 auf, die derart zusammenarbeiten, daß sie die Übertragung eines größeren Momentes gewährleisten, als dies glatte Konusse tun könnten.

Gemäß Fig. 3 ist die Verbindung derart hergestellt, daß der untere Teil der Turbine, die hier die verschleißanfälligsten und folglich auch die am häufigsten auszutauschenden Organe enthält, z. B. das Druckbzw. Axiallager und das untere Lager, auseinandergenommen werden kann, ohne daß die anderen Teile oder Glieder der Turbine entkuppelt zu werden brauchen.

Gemäß dieser Ausführungsform enthält das Gehäuse 22 übereinander angeordnete Ringe 23, die zwischen den Muffen 24 und 25, die auf das Gehäuse aufgeschraubt sind, zusammengepreßt sind. Die untere Muffe 25 ist im Innern mit Gummi belegt, wie bei 26 gezeigt, um das untere Lager der Turbine zu bilden. Die Muffe 24 besitzt ein Gewinde, um deren Verbindung mit der auf dem Gehäuse 28 der oberen Turbinensektion aufgeschraubten Muffe 27 zu ermöglichen.

Die Welle 29 des Rotorteiles des unteren Elementes trägt Lagerdruckscheiben 30 und Distanzringe 31, die abwechselnd angeordnet sind. Dieses Rotorkammlager wird zwischen dem am oberen Gewindeende der Welle aufgeschraubten Ansatz 32 und dem an seinem unteren Ende aufgeschraubten Ansatz 33 zusammengepreßt. Der Ansatz 32 weist einen Konus 34 auf, welcher mit dem zugeordneten Konus eines Ansatzes 35 zusammenarbeitet, welcher auf die Welle 36 des oberen Turbinengliedes aufgeschraubt ist, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits beschrieben. Die drehfeste, die Kupplung sicherstellende Verbindung ist im

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vorliegenden Fall mittels eines zentralen Zugankers 37 hergestellt, der in ein Innengewinde des Ansatzes 35 eingeschraubt ist und sich nach unten durch eine Bohrung des Ansatzes 32 und der Welle 29 erstreckt. Das untere Gewindeende des Ankers 37 ragt in eine Gegenbohrung 39 des Ansatzes 33 hinein, welche die auf das Gewinde des Ankers 37 aufgeschraubte Mutter 38 aufnimmt, die die zur Kupplung erforderliche Verspannung bewirkt.

Beim Montieren wird zuerst der Anker 37 in den Ansatz 35 eingeschraubt und dann auf diesen der Ansatz 32, die Welle 29 und der Ansatz 33 aufgeschoben. Nachdem die Muffe 24 auf der Muffe 27 blockiert ist, wird der Zuganker 37 mit der Mutter 38 verspannt. Wie aus der Abbildung ersichtlich, gestattet diese An-Ordnung den unteren Teil der Turbine, welches das Kammlager enthält, auszubauen und auszutauschen, ohne die Turbine zerlegen zu müssen.

In Fig. 4, 5 und 6 ist eine Kupplungsvorrichtung zwischen zwei Rotorsektionen von benachbarten Türbinengliedern dargestellt, die als durch Druckfedern belastete Bajonettverbindung ausgebildet ist. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung trägt das obere Ende der Welle 54 einer zu kuppelnden Sektion einen Ansatz 55, in welchem eine Bohrung 56 eingearbeitet ist. Dieser Ansatz 55 weist an seinem äußeren oberen Teil unterbrochene ringförmige Nuten bzw. Haltestege57 (Fig. 6) auf, dieLängsnuten bilden. Diese ringförmigen Haltestege 57 sind durch Anschlagkeile 58 begrenzt. Ein am unteren Ende der Welle 60 der oberen zu kuppelnden Turbinensektion aufgeschraubter Ansatz 59 weist im Innern unterbrochene ringförmige Stege 61 auf, die zwischen sich Längsnuten bilden (Fig. 5). Die Verbindung an den Anlageflächen der beiden Turbinenelemente kann bewirkt werden durch Eingreifen bzw. Einschnappen des Ansatzes 55 in den Ansatz 59 in einer bestimmten Winkelstellung und Eingriff der Haltestege 57, 61, die bei entsprechender Drehbewegung den Bajonettverschluß bilden. Die Längskeile 58, die als Anschläge wirken, begünstigen die Übertragung des Drehmomentes zwischen den Turbinenstufen.

Um die Verbindung aufrechtzuerhalten, sind in der Bohrung 56 des Ansatzes 55 aufgestapelt angeordnete Ringfedern 62 bzw. Federscheiben vorgesehen. Diese Federscheiben werden in der Bohrung 56 durch ein in dem Ansatz 55 verschraubtes Paßstück 63 zurückgehalten. Ein Zylinder 64 stützt sich an den Federscheiben 62 ab und ragt normalerweise über das Paßstück 63 hinaus, um beim Einschnappen der Ansätze 55 und 59 zwecks Herstellung der Verbindung die Federscheiben zusammenzudrücken.

Bei dem Zusammenbau werden die Federscheiben 62 durch einen von der Welle 60 ausgeübten Druck zusammengedrückt. Vorzugsweise sind die Teile derart bemessen, daß zum Drehen des Ansatzes 59 mit Bezug auf den Ansatz 55 zwecks Herstellung der Verbindung die Federscheiben 62 stark zusammengedrückt werden, wodurch die Stege 57 und 61 zusammenarbeiten können. Hört der von der Welle 60 ausgeübte Axialdruck auf, so werden die Haltestege 61 durch die Federn stark an die Haltestege 57 gedrückt, wodurch zwischen den Wellen 54 und 60 eine starre Verbindung hergestellt wird. Um das bei einem gegebenen Axialdruck übertragbare Drehmoment noch zu erhöhen, sind vorteilhaft die Kontaktflanken der Haltestege 57 und 61, wie bei 65 gezeigt, geneigt. Die durch die Haltestege gebildeten Umfangsnuten können auch schraubenförmig verlaufen. Bei der in Fig. 5 durch den Pfeil 66 angegebenen Drehmomentrichtung ist vorteihaft die Schraube linksgängig ausgebildet, damit die Stege 61 zwischen den Keilen 58 und der Neigung der Stege verklemmt werden.

Gemäß Fig. 7 und 8 trägt die Welle 67 an ihrem oberen Ende einen Ansatz 68, der eine Bohrung 69 aufweist, welche die Federringe 70 aufnimmt, die in dieser Bohrung durch einPaßstück71 gehalten werden und normalerweise einen Zylinder 72 nach außen drücken. Die Welle 73 der oberen zu kuppelnden Sektion ist in einem auf dem freien Gewindeende des Ansatzes 68 aufgeschraubten Ansatz längsverschieblich angeordnet. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, wird hier die Bajonettverbindung durch den Wellenstumpf 73 dieses oberen Elementes gebildet, welcher Haltestege trägt, die in die Nuten 76 des Flansches des Teiles 74 greifen und infolge einer Drehbewegung unter diesem Flansch gehalten werden können. Die Verbindung entsteht auch hier durch Kompression der Federn 70 infolge eines von der Welle 73 auf den Zylinder 72 ausgeübten Druckes. Die Federkraft dieser Federn stellt die Verbindung sicher und gewährt gleichzeitig die Kraftübertragung von einer Welle auf die andere. Anschläge können vorgesehen sein, um bei einer gegebenen Kompressionskraft das übertragbare Drehmoment zu erhöhen.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kupplungsvorrichtung zum axialen, leicht lösbaren Verbinden der Wellen von Tiefbohrmotorsektionen, insbesondere von Tiefbohrturbinen, mit am Ende jeder Sektion zusammenwirkenden Anlageflächen zur Übertragung des Drehmomentes, gekennzeichnet durdi die Anlageflächen mittels Spannmuttern (18, 38) zusammenpressende zentrale Zuganker (17, 37) oder mittels Druckfedern (62, 70) belastete, mit den Anlageflächen versehene Bajonettverbindungen.

2. Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Anlageflächen auf am Ende der Turbinensektionen befindlichen Ansätzen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der in einem Ansatz (15, 35) einer Sektion verankerte und über die ganze Länge der anschließenden Sektion in einer zentralen Bohrung verlaufende, als Zugstange ausgebildete Zuganker (17, 37) am entgegengesetzten Ende der anschließenden, mit einem Anschlag versehenen Sektion durch die Mutter (18, 38) verspannt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Zeitschrift für angewandte Geologie«, 1956, S. 330; »Die Bergbauwissenschaften«, 1955, S. 131.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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