-
Hydraulische Turbine für Tiefbohrungen Die deutsche Patentschrift
1088 443 beschreibt eine Bohrturbine für Tiefbohrungen, bei der zwei Läuferschaufelsysteme
gegeneinanderlaufen und wobei das eine System direkt oder indirekt mit dem Bohrmeißel
verbunden ist. Die Läufer sind an ein röhrförmiges Glied angesetzt, das entweder
direkt oder über einen hydraulischen Druckgeber mit dem unteren Ende des Bohrgestänges
verbunden ist, durch welches sie die Flüssigkeit zum Antrieb der Turbine erhalten
und auf das sie die Drehmomentreaktion des Bohrmeißels übertragen.
-
In der in der deutschen Patentschrift 1088 443 beschriebenen
Ausführung hat das rohrförmige Glied die Form eines Gehäuses, das die schaufeltragenden
Läufer umgibt und praktisch umschließt, während ein Hauptdrucklager für den äußeren
Läufer, der über eine Achse mit dem Bohrmeißel verbunden ist, zwischen dem schaufeltragenden
Teil dieses Läufers und dem Gehäuse angebracht ist. Die Getriebeübersetzung befindet
sich oberhalb der Läufer. In einer späteren Ausführung ist das Hauptdrucklager unterhalb
des schaufeltragenden Teiles des äußeren Läufers angebracht. Das gestattet einen
etwas größeren Turbinendurchmesser. In beiden Anordnungen sind jedoch getrennte
Schiniersysteine für das Hauptdrücklager und das Getriebe notwendig, da eine gemeinsame
Schmierung unzweckmäßig wäre. Weiterhin besteht ein Zwischenraum zwischen äußerem
Läufer und Gehäuse. Dieser Zwischenraum, der an seinem unteren Ende durch eine das
Hauptdrucklager schützende Abdichtung abgeschlossen wird, füllt sich leicht mit
Ablagerungen von der Bohrflüssigkeit. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung ist,
daß eine verschiebbare Lagerung zwischen- Gehäuse und Getriebe verwendet werden
muß, um das Herausnehmen der Turbine und des Getriebes bei überholungsarbeiten zu
ermöglichen. Es hat sich gezeigt, daß Abnutzung an dieser Lagerung auftritt und
damit die Möglichkeit exzentrischen Laufens des äußeren Läufers gibt, was die Abdichtungsschwierigkeiten
des Zwischenraumes gegen Schmutzeintritt erhöht.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine h)rdraulische Turbine
für Tiefbohrungen ein rohrförmiges Glied, das mit dem unteren Ende eines hohlen
Bohrgestänges verbunden wird und durch letzteres die Flüssigkeit zum Antrieb der
Turbine erhält; einen Rohrstutzen, der in seinem oberen Teil das rohrförmige Glied
überlappt, an diesem durch ein Drucklager rotierend befestigt ist, und der sich
in seinem unteren Teil über das rohrförmige Glied hinauserstreckt, der eine Vielzahl
von Reihen mit nach innen gerichteten Turbinenschaufeln trägt und der mit seinem
untersten Ende an dem Bohrmeißel befestigt wird; eine drehbar gelagerte Welle im
unteren Teil des Rohrstutzens, die Reihen mit entsprechenden, nach außen gerichteten
Turbinenschaufeln trägt; eine oberhalb der Schaufeln angebrachte Getriebeübersetzung,
die das rohrförmige Glied, den Rohrstutzen und die drehbar gelagerte Welle miteinander
verbindet, und einen Schmiermittelkreislauf zu Drucklager und Getriebe.
-
Die Bezeichnungen »obere« und »untere« beziehen sich auf die arbeitsbereite
Anordnung. Die Verbindungen zum Bohrgestänge und zum Bohrmeißel können direkt oder
indirekt sein. Besonders soll darauf hingewiesen werden, daß sich ein Druckgeber
zwischen dem rohrförmigen Glied und dem Bohrgestänge befinden kann.
-
Das Getriebe bewegt den Rohrstutzen und die drehbare Welle bei niederen
und hohen Drehzahlen in. gegenläufiger Richtung in bezug auf das rohrförmige Glied.
-
Bei dieser Anordnung ist hervorzuheben, daß sich um den Rohrstutzen,
der den äußeren Läufer darstellt, kein Gehäuse befindet, so daß der Durchmesser
der Turbine gegenüber früheren Ausführungen größer gemacht werden kann. Damit kann
sich die Welle langsamer drehen, während die an den Bohrmeißel abgegebene Leistung
dieselbe Geschwindigkeit und dasselbe Drehmoment wie bisher ergibt. Infolgedessen
kann
das Getriebe gedrängter sein. Weiterhin können die der heftigen Korrosion durch
die Bohrflüssigkeit ausgesetzten Turbinenschaufeln leicht abgenommen und ersetzt
werden.
-
Als weiterer Vorteil wäre zu nennen, daß bei Verwendung eines hydraulischen
Druckgebers zwischen dem rohrförmigen Glied und dem Bohrgestäng# das hydraulische
System des Druckgebers mit dem Schmiersystem kombiniert werden kann.
-
Die Erfindung wird erläutert an Hand einer Turbine und eines Druckgebers,
die in den schematischen Zeichnungen gezeigt werden.
-
Die drei Zeichnungen zeigen bei Zusammenfügung an den Linien A-A
und B-B alle wesentlichen Teile des Gerätes in einem von oben nach unten
verlaufenden Achsquersdhnitt. Im einzelnen zeigt F i g. 1 den unteren Teil
des Druckgebers und das obere Ende der Turb ' ine, F i g. 2 einen
mittleren Teil der Turbine, hauptsächlich die La-er, das Getriebe und Arbeitsteile
des Druckgebers enthaltend, und F i g. 3 das untere Ende der Turbine, das
hauptsächlich die die Schaufeln tragenden Läufer und das Kupplungsstück eines Bohrmeißels
oder eines Teiles des Bohrgestänges umfaßt.
-
Der Druckgeber, dessen unterer Teil in F i g. 1 gezeigt
-wird, enthält ein axiales Kolbenrohr 10, durch welches die Bohrflüssigkeit
zur Turbine gelangt, und einen Ringkolben 11, der sich in dem durch das äußere
Gehäuse 13 gebildeten Zylinder 12 bewegt. Abdichtungen 14 und 15 sind
an den Stellen 16 und 17 vorgesehen, wo das Rohr 10 durch die
obere bzw. untere Zwischenwand geht. Oberhalb der oberen Zwischenwand. ist das Rohr
10 mit einer das Drehmoment übertragenden Keilverzahnung (nicht gezeigt)
versehen, die in eine entsprechende Keilverzahnung im Gehäuse 13 eingreift,
um die Drehmomentreaktion des Bohrmeißels auf das am oberen Ende vom Gehäuse
13 angekuppelte Bohrgestänge (nicht gezeigt) zu übertragen. Der Druckgeber
kann nach Wahl mit zusätzlichen, hintereinander im Gehäuse angebrachten Zylindern
versehen werden. Die drehmomentübertragenden Teile können nach Wahl aus einer Anzahl
-von keilverzahnten, teleskopischen und rohrförmigen Teilen bestehen, die so in
einer der Zylinderkammern des Druckgebers angebracht sind, daß sie durch die Antriebsflüssigkeit
geschmiert werden. Diese Antriebsflüssigkeit ist Schmieröl, das von einer durch
die Turbine angetriebenen Pumpe geliefert wird, wie jetzt näher beschrieben werden
soll.
-
Das untere Ende der Kolbenstange 10 ist durch eine nicht in
Einzelheiten gezeigte Kupplung mit einem Teil 18 der Turbine verbunden. Dieser
Teil 18
bildet zusammen mit einem daran befestigten Teil 18a das weiter
oben in dieser Beschreibung ge# nannte »rohrförmige Glied«' * Wie aus Fig.
2 und 3
ersichtlich, überlappt der obere Teil eines Rohrstutzens
19 den Teil 18 a des rohrförmigen Gliedes, und der untere Teil
des rohrförmigen Gliedes liegt innerhalb des Rohrstutzens. Der Rohrstutzen ist durch
eine aus zwei Kegelrollenlagem 21 und 22 bestehende obere Lagerung, die Radialkräfte
und axialen Schub aufnimmt, und eine aus einem Rollenlager 23 bestehende
untere Lagerung, die nur Radialkräfte aufnimmt, drehbar auf dem rohrförmigen Glied
befestigt. Diese untere Lagerung 23 ist zwischen Teil 18 a des rohrförmigen
Gliedes und einem Druckkolben 19 a des Rohrstutzens angebracht. Dei
Druckkolben 19 a reicht in das untere Ende des rohrförmigen Gliedes hinein
und ist durch die Rippen 54 mit dem Ende des Rohrstutzens 19 verbunden. Ein
Teil 19 b des Rohrstutzens, das sich unterhalb des Teiles 18a des
rohrförmigen Gliedes erstreckt, trägt eine Vielzahl von Reihen mit nach innen gerichteten
Turbinenschaufeln 24 und ist unterhalb der Schaufeln mit einem Kupplungsgewinde
25 versehen, um das rohrförmige obere Ende eines Bohrmeißels oder eines Bohrgestänges
26 aufzunehmen. Die Bohrflüssigkeit geht in der gewohnten Weise durch den
Bohrmeißel oder das Gestänge. Ein Sieb 27 dient dazu, das Eindringen großer
Gesteinsbrocken beim Einführen des Bohrers in das Bohrloch zu vermeiden.
-
Die Turbinenschaufeln 24 laufen entgegen den von der Welle
29 nach außen stehenden Schaufeln 28. Die Welle 29 hat einen
nach oben in den Druckkolbenteil 19 a des Rohrstutzens reichenden
Teil 29 a
und ist in diesem durch eine obere Lagerung, die aus zwei
Radial- und Schubkräfte aufnehmenden Kugellagern 31 und 32 besteht,
und durch ein nur Radialkräfte aufnehmendes unteres Rollenlager 33 drehbar
gelagert.
-
Die Reihen der Turbinenschaufeln 24 und 28 werden durch die
Ringsehrauben 93 und 94 festgehalten. Um die Schaufeln auszutauschen, müssen
nur die Bohrer von 25 abgeschraubt und dann die Ringschrauben 93 und
94 gelöst werden.
-
Das rohrförmige Glied 18, Teil 18 a, der Rohrstutzen
19 und die Welle 29 sind durch das am unteren Ende von F i
g. 2 gezeigte Getriebe relativ zueinander übersetzt. Dieses Getriebe enthält
einen Planetenträger, der von dem oberen Ende des Druckteiles 19 a des Rohrstutzens
gebildet wird und von dem eine Anzahl von Wellen 35 axial ausgehen und die
Planetenräder 34 tragen. Diese Planetenräder greifen auf der einen Seite in den
auf dem Teil 18 a
des rohrförmigen Teiles befindlichen inneren Zahnkranz
36 und auf der anderen Seite in den auf einem unteren Teil eines Ringes
38 mit geringerem Durchmesser befindlichen Sonnenradkranz 37 ein.
Der obere Teil des Ringes 39 hat einen größeren Durchmesser und ist mit einem
nach innen gerichteten Zahnkranz 39 versehen, in den eine Anzahl von Planetenrädern
40 eingreift, die sich auf Wellen 41 bewegen, die vom Teil 18 a des
rohrförmigen Gliedes getragen werden. Diese Planetenräder 40 greifen ebenfalls in
ein Sonnenrad 42 ein, das an dem Teil 29 a der inneren Läuferwelle
29 der Turbine angebracht ist. Dieses Getriebe bewirkt, daß- sich der Rohrstutzen
19 (der den äußeren Läufer der Turbine und die kraftübertragende Welle darstellt)
und die Welle 29 (die den inneren Läufer der Turbine darstellt) in bezug
auf das am Bohrgestänge befestigte rohrförmige Glied 18, 18 a bei niederen
und hohen Geschwindigkeiten gegenläufig drehen. Die Drehgeschwindigkeit des inneren
Läufers kann geeigneterweise etwa das Sechsfache des äußeren Läufers sein.
-
Das hohle Innere des rohrförmigen Gliedes 18,
18 a stellt
eine Fortsetzung 50 a des Bohrflüssigkeitsdurchlasses
50 im Druckgeber zu einer Stelle unterhalb der Hauptdrucklager 21, 22 dar.
An dieser Stelle bringen Durchlässe 51 zwischen Rippen 52 die Flüssigkeit
zur Außenseite des rohrförinigen Gliedes, von wo sie durch einen Zwischenraum
53 zwischen der Außenseite des Teiles 18a des rohrförmigen Gliedes und der
Innenseite des Rohrstutzens 19 bis
zum Ende des Teiles
18 a fließt. Von da aus wird die innere Oberfläche des Durchlasses durch
die Außenseite des Druckkolbenteiles 19a des Rohrstutzens gebildet, welches, wie
oben erwähnt, zum schaufeltra-2,enden Teil 19b des Stutzens durch die sich
über 2
den Durchlaß erstreckenden Rippen 54 verbunden ist. Die Flüssigkeit
geht dann durch die Turbinenschaufelreihen 24 und 28 und, wie bereits erwähnt,
aus dem Bohrmeißel hinaus.
-
Die durch einen Ausleger vom Teil 29 a der inneren Läuferwelle
angetriebene Zahnradpumpe 56
pumpt das Schmiermittel unter Druck in die obere
Arbeitskammer 55 des Druckerzelugers. Das Schmiermittel geht von der Pumpe
durch ein axiales Rohr 57
zu einem Kentrollventilsystein 58 des Druckerzeugers,
das sich in einem inselartigen Teil 59 befindet, welches durch die Rippen
60 im Durchlaß für die Bohrflüssigkeit befestigt ist. Das Ventilsystem ist
nicht Teil der vorliegenden Erfindung und wird daher nicht in Einzelheiten gezeigt.
Nach Durchgang durch das Ventilsystem fließt das Schmiermittel durch ein weiteres
axiales Rohr 61 nach oben, um die Arbeitskammer 55 des Druckerzeugers
an einer Stelle 62 dicht oberhalb des Kolbens 11 zu erreichen. Der
Kolben 11 wird am oberen Ende seines Arbeitsweges im Zylinder 12 gezeigt.
Wenn sich der Kolben mit dem Vordringen des Bohrmeißels nach unten bewegt, wird
das Schmiermittel durch eine öffnung 64, dicht unterhalb des Kolbens aus der unteren
Arbeits-kammer 63 des Druckerzeugers in den Zwischenraum
65 eines doppelwandigen Teiles der Kolbenstaüge 10 gedrückt, wobei
der Zwischenraum 65
einen ringförmigen Rückflußkanal für das Schmiermittel
darstellt.
-
Dieser Rückflußkanal 65 wird hinter der Verbindung von der
Kolbenstange 10 und dem oberen Ende des rohrförmigen Gliedes 18 der
Turbine in Glied 18 weitergeführt und endet am oberen Ende einer Aussparung
70. Diese Aussparung 70 wird durch eine an den Enden öldicht befestigte
biegsame Hülse 71 in einen äußeren und einen inneren Ringraum 70 a
und 70 b geteilt. Der äußere Ringraum 70 a
stellt einen Schmiermittel-Reservebehälter
für Leckverluste dar. Der innere Ringraum 70 b ist über die Öffnungen
72 in der inneren Wand mit dem Durchlaß für die Bohrflüssigkeit 50a verbunden,
so daß das Schmiermittel in dem Reservebehälter 70a auf annähernd gleichem
Druck mit dem Druck im Durchlaß 50 a gehalten wird.
-
Von dem Behälter 70a geht das Schmiermittel durch die Durchlässe
73 zu einer ringförmigen Sammelnut 74, die einerseits über den Durchlaß
75 zu einer an den Enden mit Dichtungen 77 und 78 versehenen
Kammer 76 mit den Hauptdrucklagern 21 und 22, und andererseits über den Durchlaß
79 mit dem Kontrollventilsystem 58 verbunden ist. Vom Kontrollventilsystem
geht das zurücklaufende Schmiermittel durch einen ringförmigen Zwischenraum, der
zwischen dem öldruckrohr 57 und einem es konzentrisch umgebenden Rohr
80 gebildet ist, zur Kammer 81, welche die Pumpe 56 enthält.
Von der Kammer 81 geht das Schmiermittel durch einen Durchlaß
82 in den Filterraum 83, durchläuft das Filter und erreicht den Pumpeneinlaß
über die um die Antriebswelle der Pumpe angeordnete Kammer 84 und den Durchlaß
85.
-
Vom Filterraum kann Nachfüllschmiennittel über den Durchlaß
86 in die Kammer 87 gelangen. Diese Kammer 87 enthält
das übersetzungsgetriebe, das zum Rohrstutzen 19 des äußeren Läufers gehörende
Lager 23, die zur inneren Läuferwelle gehörenden Lager 31, 32 und
33 und ist am oberen und unteren Ende durch die Dichtungen 88, 89
und 90 abgedichtet. Schmiermittel kann durch einen Rohranschluß
91, der über den Durchlaß 92 mit der Hauptdrucklagerkammer
76 verbunden ist, in die Anlage nachgefüllt werden. Diese Anlage hat vorzugsweise
auch einige, hier nicht gezeigte Gewindestopfen an geeigneten Stellen, um etwa eingeschlossene
Luft abzulassen.
-
Beachtenswert ist, daß der Druckabfall an jeder der Dichtungen
78, 88 und 90 gering ist, weil das Schmiermittel unter nahezu gleichem
Druck steht wie die Bohrflüssigkeit direkt oberhalb des inselförmigen Teiles
59 und weil der Druckabfall in der Bohrflüssigkeit zwischen dieser Stelle
und dem Eintritt zu den Turbinenschaufeln nicht sehr groß ist. Die Dichtung
77 schließt die Schmieranlage gegen die außerhalb des Bohrers im Bohrloch
befindliche Bohrflüssigkeit ab, so daß der gesamte Druckabfall in Turbine, Bohrmeißel
und dein unterhalb der Dichtung 77 befindlichen Teil des Bohrloches auf die
Dichtung wirkt. Aus diesem Grunde muß an dieser Stelle eine sehr gut dichtende und
zuverlässige Ab-
dichtung verwendet werden. Die Konstruktion dieser Abdichtung
77 gehört nicht zu dieser Erfindung.
-
Wie aus diesen Darlegungen ersichtlich, ist der aus Pumpe
56 und Behälter 70a bestehende Schmiermittelkreis mit dem Drucklager 21,
22, mit dem übersetzungsgetriebe und auch mit dem Druckerzeuger verbunden. Außerdem
ist der Schmiermittelkreislauf zum Drucklager und - zum Getriebe parallel
geschaltet. Damit ist gewährleist , et, daß bei einer eventuellen Beschädigung
der Abdichtung 77
und des Drucklagers 21, 22 feste Bruchstücke weder in das
Getriebe noch in den Druckerzeuger mit seinem Kontrollventilsystem gelangen können.
-
Es läßt sich weiterhin ersehen, daß das Drucklager 21, 22 oberhalb
von Getriebe und Pumpe, aber unterhalb des Behälters liegt, so daß es von großem
Durchmesser und robuster Konstruktion sein kann. Weiterhin ist der das Lager 21,
22 tragende Teil 18 a
sehr steif und widerstandsfähig, so daß der Rohrstutzen
so genau wie möglich geführt werden kann.
-
Die Anordnung des Teiles 19a des Rohrstutzens erlaubt, daß die Lager
31 und 23 leicht mit dem Schmiermittelkreislauf verbunden werden können.
-
Es wird darauf hingewiesen, daß die in F i g. 2 gezeigte Konstruktion
nur schematisch ist; in der Praxis würden der Teil 18 a und der Rohrstutzen
19
aus mehreren zusammengefügten Teilen bestehen, um den Zusammenbau der anderen
Aggregate zu gestatten.