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Bohrturbine Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bohrturbine
mit wenigstens zwei über eine lösbare Kupplung miteinander verbundenen Wellenabschnitten,
wobei durch die Kupplung axialer Druck und Drehmomente übertragen werden können.
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Es sind Sektionsturbinen zur Niederbringung einer Brunnenbohrung od.
dgl. bekannt, bei denen Kupplungen verwendet werden, die entweder als Friktionskonusmuffen
oder als geschlitzte Muffen ausgeführt sind, die ihrerseits aus zwei Halbmuffen
bestehen. In beiden Fällen werden sich Verschleißerscheinungen, die aus der Übertragung
großer Drehmomente und Axialkräfte resultieren, ungünstig auf die Laufgenauigkeit
von Kupplung und Turbine auswirken. Es kann bei Auftreten von Verschleiß am Reibungskonus
zu Änderungen des axialen Abstandes kommen, so daß die Gefahr besteht, daß die Schaufeln
der Turbinenlaufräder an den Leitschaufeln anlaufen und zerstört werden.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur lösbaren Kupplung
zwischen zwei Wellenabschnitten zu schaffen, die so ausgebildet sein sollten, daß
Montage und Demontage der beiden Wellenabschnitte leicht durchgeführt werden können,
wobei gleichzeitig ohne Schwierigkeit und genaue Paßarbeiten der Abstand zwischen
den beiden Wellenabschnitten bei jeder erneuten Montage genau eingehalten werden
kann. Ein genaues Einhalten des Abstandes zwischen den beiden Wellenabschnitten
ist deswegen erforderlich, damit die Turbinenschaufeln stets wieder in eine gleiche
Lage zueinander gebracht werden.
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Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Kupplung
aus zwei voneinander unabhängigen Teilen besteht, von denen das eine zur formschlüssigen
Übertragung des Drehmomentes und das andere zur Übertragung des Axialdruckes dient.
Beide Teile können bei einer etwaigen Beschädigung einzeln ausgewechselt werden.
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Zweckmäßig besteht das der Übertragung des Drehmomentes dienende Teil
der Kupplung aus einzelnen Zähnen einer der Wellenenden, die in Ausrehmungen des
anderen Wellenendes eintreten, wobei das zweite Teil zur Übertragung des Axialdruckes
so ausgebildet und angeordnet ist, daß es beide Wellenenden in einem bestimmten
Abstand voneinander hält, der so gewählt ist, daß die Spitzen der Zähne nicht mit
dem Grund der Aussparungen in Berührung kommen. Die Spitzen der Zähne sind vorzugsweise
abgeschrägt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht das Teil zur Übertragung
des Axialdruckes und zur Aufrechterhaltung des Axialabstandes aus einer Muffe mit
Dichtungsmitteln zwecks Abdichtung des inneren Kupplungsteiles gegen Verschmutzung,
wobei die Muffe das Teil zur Übertragung des Drehmomentes ringförmig konzentrisch
umschließt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Kupplung kann das Teil zur
Übertragung des Axialdruckes und zur Aufrechterhaltung des axialen Abstandes auch
aus einem Zapfen bestehen, der von dem Teil zur Übertragung des Drehmomentes konzentrisch
umschlossen wird.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise dargestellt
und im folgenden im einzelnen erläutert.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach Einbringung
in das Bohrloch und zeigt den allgemeinen Aufbau der Bohrturbine und der zugehörigen
Teile; Fig. 2 ist ein vergrößerter senkrechter Schnitt der Kupplung zwischen oberer
und unterer Antriebswelle; Fig.3 ist eine Seitenansicht eines Kupplungselementes;
Fig. 4 ist ein senkrechter Schnitt 4-4 des Kupplungselementes aus Fig. 3, der die
Teilansicht eines der Teile zeigt; Fig. 5 ist die Draufsicht der Kupplung aus Fig.
3;
Fig. 6 ist ein senkrechter Schnitt, der eine abgeänderte Ausführungsform
der Kupplungszähne zeigt; Fig. 7 ist eine Seitenansicht der Kupplungszähne aus Fig.
6; Fig.8 ist eine Draufsicht auf das Kupplungselement aus Fig. 7; Fig. 9 ist der
senkrechte Schnitt eines abgeänderten Kupplungszahnpaares; Fig. 10 ist ein Schnitt
10-10 der Kupplung aus Fig. 9; Fig. 11 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht
eines vielzahnigen Kupplungselementes mit Distanzstücken; Fig. 12 ist eine Draufsicht
des Kupplungselementes aus Fig. 11.
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In Fig. 1 ist die Bohrturbine allgemein mit 17 gekennzeichnet und
umfaßt eine oder mehrere Turbineneinheiten 31 mit je einer Welle 32, die die Laufschaufeln
33 trägt, die abwechselnd zwischen den am Bohrturbinengehäuse 16 befestigten Leitschaufeln
34 angeordnet sind. Die Kombination von Lauf- und Leitschaufeln ergibt eine mehrstufige
Turbineneinheit, die von der Bohrflüssigkeit angetrieben wird und für den üblichen
Betrieb annähernd einhundert Schaufelpaare oder Stufen hat, womit eine Leistung
von ungefähr 150 bis 300 PS erzeugt wird. Dies ist natürlich von der Menge der durchgesetzten
Bohrflüssigkeit abhängig und ist nur als ungefährer Anhaltspunkt für das Leistungsvermögen
gedacht.
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Zur Befestigung unterhalb der Turbineneinheit 31 ist eine gesonderte
Lagereinrichtung oder Lagerung 40
vorgesehen, die eine Welle 41 mit
daran befestigten Axiallagerscheiben 42 aufweist, die abwechselnd zwischen feststehenden
Lagerteilen 44 angeordnet sind. Der Aufbau ist dabei so getroffen, daß die Welle
41 sowohl gelagert als auch gegen eine senkrechte Verschiebung gesichert wird, ebenso
wie für einen freien Durchgang der Bohrflüssigkeit durch die Durchlaßöffnungen 45
gesorgt ist, durch die die Bohrflüssigkeit, nachdem sie die Turbine beaufschlagt
hat und durch die Lager hindurchgegangen ist, über die Welle 41 zum und durch den
Bohrkopf 19 strömt.
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Das Ausmaß der Belastung läßt sich daran erkennen, daß bei einer bestimmten
Bohrturbinenart an der Turbine ein Druckabfall von 42 bis 70 at auftritt, der eine
abwärts gerichtete hydraulische Kraft von 8000 bis 9000 kg ergibt.
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Wenn der Bohrkopf jetzt in die Bohrstellung gebracht wird und eine
Belastung von 8 bis 9000 kg auf das Bohrturbinengehäuse aufgebracht wird; werden
die Lagerflächen der Lagerung in einen entlasteten Zustand versetzt. Wenn jedoch
ein zusätzliches Gewicht des Bohrstranges auf den Bohrkopf wirken soll, werden die
Lagerflächen im umgekehrten Sinn belastet, und zwar zu einem Betrag, der der Differenz
zwischen der gesamten Bohrstrangbelastung und der hydraulischen Kraft entspricht.
Gewöhnlich sind die feststehenden Lagerteile mit einem nachgiebigen Material, wie
Gummi, aus diesem Grunde überzogen.
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Um die Turbine durch die Welle 41 mit dem notwendigen Abstand zwischen
Lauf- und Leitschaufeln 33 und 34 abzustützen, ist die Welle 32 mit der Welle 41
durch eine Art ausrückbare Kupplung 50, dargestellt in Fig. 2, verbunden. Die Kupplung
besteht aus zwei Zopfstücken 51 und 52, die je einen Gewindeteil 53 aufweisen, die
in geeignete Gewindebohrungen der Wellen 32 und 41 eingeschraubt werden, die Gewindeteile
53 laufen dabei in einen Bund oder Ansatz 54 bzw. 55 aus. Die Flächen
53 a der Gewindeteile 53, die .an den Enden der Wellen 32 bzw. 41 anliegen,
sind vorzugsweise gewölbt, um leichte Ungenauig--keiten in der axialen Ausrichtung
der Wellen 32 und 41 auszugleichen.
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Gewöhnlich sind die Zopfstücke 51 und 52 mit einer oder mehreren Kupplungsklauen
oder -zähnen 56 versehen, von denen in einer bevorzugten Ausführungsform vier in
den Fig. 2, 3, 4 und 5 dargestellt sind. Diese Zähne 56 an den oberen und unteren
Kupplungszapfen greifen über einen ausreichenden Bereich ineinander, liegen aber
mit ihren Enden nicht gegeneinander. Vorzugsweise sind die Zähne 56 mit einer Abschrägung,
was bei 58 angedeutet ist, versehen, wodurch ein Einrücken beim Zusammenbau durch
ein einfaches Aufeinanderstecken erreicht werden kann.
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Um die Enden der Wellenabschnitte 32 und 41 im Abstand genau aufeinander
einzustellen, um axiale Belastungen zu übertragen und auch um die tragenden Flächen
der abgeschrägten Zähne 56 abzudichten, wird vorzugsweise eine Dichtmuffe oder ein
Distanzring 59 verwendet. Dieser Distanzring ist so ausgebildet, daß er auf Grund
seiner äußerst genau eingehaltenen Länge den Abstand zwischen den Ansätzen 54 und
55 der Kupplungszapfen 51 und 52 präzise einhält, wodurch bei vollständig zusammengebauter
Bohrturbine der Rotor und Stator der Turbineneinheit 31 in der gewünschten Lage
mittels der Lagereinrichtung 40 gehalten wird.
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Vorzugsweise sind in der Dichtmuffe und dem Distanzring 59 geeignete
kanalförmige Ausnehmungen in der inneren Wandung angebracht, angezeigt bei
60, und dazu vorgesehen, Dichtringe, wie beispielsweise federnde O-Ringe
61, aufzunehmen, wodurch die Vorrichtung druckdicht gegen ein Eindringen irgendwelcher
erodierender Flüssigkeiten abgeschlossen wird. Dies ist besonders wichtig bei Tiefbrunnenbohrungen,
wo die Bohrflüssigkeit stark mit erodierenden Bestandteilen angereichert ist.
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Da die Kupplung 50 nur zur Aufnahme von Druckbeanspruchungen ausgelegt
ist, ist sie gewöhnlich unterhalb der Turbineneinheit 31 und oberhalb der Lagereinrichtung
angeordnet. Die Kupplung kann jedoch auch zwischen Tandem-Turbineneinheiten verwendet
werden.
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Bevor der Bohrkopf 19 bei laufender Turbine auf den Grund auftrifft,
beträgt unter normalen Bedingungen der Druckabfall an der Turbine 42 bis 70 at,
der bei einem Standardwerkzeug von 168 mm und größer eine abwärts gerichtete hydraulische
Kraft von 8000 bis 9000 kg oder mehr auf die Welle ergibt. Diese Komponente wird,
da andere Lager fehlen, durch die Kupplung 50 und durch die Lagereinrichtung aufgenommen.
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Wenn jetzt der Bohrkopf in die Ausgangslage zurr Bohren gebracht wird
und die übliche Belastung von 8 bis 9000 kg auf das Bohrturbinengehäuse aufgebracht
wird, werden die Lagerflächen in der Lagereinrichtung in einen entlasteten Zustand
versetzt. Wenn jedoch ein zusätzliches Gewicht des Bohrstranges auf den Bohrkopf
wirken soll, werden die Lagerflächen im umgekehrten Sinn belastet, und zwar zu einem
Betrag, der der Differenz zwischen der gesamten Bohrstrangbelastung und der hydraulischen
Kraft entspricht. Aus diesem Grunde sind die Lager gewöhnlich aus einem nachgiebigen
Material, wie Gummi, hergestellt.
Gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft,
das Axiallager in einer gesondert abgeschlossenen Lagereinrichtung anzuordnen, die
als Ganzes von der Turbineneinheit gelöst werden kann, ohne daß in irgendeiner Form
der Ausbau dieser Einheit erforderlich ist. Auf diese Weise ist es möglich, eine
abgenutzte Lagereinrichtung schnell gegen eine neue auszutauschen, indem man nur
die Lagerung abkuppelt und die Wellen auseinanderzieht. Danach kann die Lagerwelle
41 durch einfaches Zusammenstecken mit der Turbinenwelle 32 in Eingriff gebracht
werden, wobei mit der eingesetzten Distanzmuffe 59 wieder eine genaue Ausrichtung
der Lauf- und Leitschaufeln in der Turbine mit den Lagern 42 und
44, die die Axiallast aufnehmen, ergibt.
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Es muß natürlich noch darauf hingewiesen werden, daß nur axiale Belastungen
in Betracht gezogen worden sind und daß andere Lager an geeigneter Stelle auf der
Bohrturbinenwelle oder -wellen vorgesehen sind, um seitliche Belastungen aufzunehmen.
Wie beispielsweise dargestellt, ist in dem unteren Lagergehäuse 62 ein Radiallager
63 von der Art eines Laufbuchsengleitlagers vorgesehen.
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Eine abgänderte Ausführungsform der Zahnkupplung und des Zapfens ist
in den Fig. 6, 7 und 8 dargestellt, in der jeder Zapfen 65 einen Gewindeteil 66
und einen Ansatz 67 aufweist, der mit einem geeigneten, sich geneigt gegenüberliegenden
Paar von Klauen oder Zähnen 68, die angefaßt sind, versehen sind. Diese beiden Zahnpaare
greifen sich ergänzend ineinander ein, was in Fig. 6 dargestellt ist. Im allgemeinen
ist es vorzuziehen, zwei oder mehr Zähne hinsichtlich des an der Welle wirkenden
Drehmomentes vorzusehen, es ist aber durchaus möglich, eine Einzahnkupplung zu konstruieren
und zu bauen, wie es in den Fig. 9 und 10 dargestellt ist.
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Die in den Fig. 9 und 10 dargestellte Einzahnanordnung besteht aus
einem Paar von Zahnkupplungszapfen, wobei jeder Zapfen 80 einen Ansatz
82 aufweist, von dem ein einzelner Schrägzahn 84 ausgeht. Wie in Fig.
9 dargestellt, greifen die Zähne ergänzend ineinander ein und sind von der Dichtmuffe
und dem Distanzring 59 umgeben, der passende Dichtungen, wie federnde O-Ringe
61, aufweist.
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Eine andere Ausführungsform der Kupplung ist in den Fig. 11 und 12
dargestellt, bei der der Zapfen 70
mit einem geeigneten Gewindeteil 71 und
Zähnen 72, von denen vier dargestellt sind, versehen ist: diese Zähne haben abgeschrägte
Flächen 73, ähnlich denen in den Fig. 3, 4 und 5. Es versteht sich, daß eine Kupplung
zwei ineinandergreifende Zapfteile aufweist, wie es allgemein in Fig. 2 dargestellt
ist.
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Bei dieser Konstruktion ist ein mittiger Stift 75 angeordnet, der
als Dübel wirkt, der in die entsprechenden Sockel der Zapfen hineinpaßt und der
von festgelegter, genau bestimmter Länge ist, wodurch der notwendige Abstand der
einzelnen Kupplungsteile hergestellt wird. Aus dieser Anordnung ergibt sich, daß
es bei Verwendung von Stiften oder Dübeln verschiedener Länge möglich ist, einen
Dübel schnell gegen einen anderen auszutauschen, wodurch einer möglichen Abnutzung
begegnet werden kann.
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Auch diese Ausführungsform ist mit einer zylindrischen Buchse und
Dichtungen versehen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, und zwar mit dem Hauptzweck,
die Kupplungsteile frei von äußerem Schlamm zu halten.
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Die vorausgegangene Beschreibung bezog sich auf eine Kupplung zwischen
einer Turbinenwelle und einer Lagerwelle, es ist natürlich auch möglich, dieselbe
Art Kupplung für die Verbindung zweier Turbineneinheiten zu verwenden.
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Obgleich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt
und beschrieben worden ist, die die beste für die praktische Anwendung darstellt,
können daran jedoch Abänderungen vorgenommen werden, ohne daß dabei der Umfang des
Erfindungsgedankens überschritten wird.