DE19616578C1 - Antriebskopf für ein drehantreibbares Gestänge, insbesondere zum Antreiben einer Bohrlochpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebskopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem durch ofenkundige Benutzung bekannten Antriebskopf dieser Gattung ist auf das Gehäuse, in dem das Getriebe ange­ ordnet ist, ein weiteres Gehäuse aufgesetzt, in dem eine Band­ bremse angeordnet ist. Zu dieser gehören eine an der Hülse be­ festigte Trommel mit zylindrischer Außenfläche, ein diese Außen­ fläche umschlingendes Band, das zwei Enden aufweist und an seiner Innenseite einen Reibbelag trägt, sowie eine Spannvor­ richtung, mit der sich die beiden Enden des Bandes zusammen­ spannen lassen. Diese Spannvorrichtung muß von Hand feinfühlig gesteuert werden, damit die Rücklaufbremse einen kontrollierten Abbau von im Gestänge gespeicherter Verdrillungsenergie ermög­ licht.

In einem Gestänge, das eine im Verhältnis zu seinem Durchmesser erhebliche Länge aufweist, wie dies typischerweise bei einem Bohrlochgestänge der Fall ist, hat jede Belastung mit einem von dem Gestänge zu übertragenden Drehmoment die Folge, daß das Gestänge sich elastisch verdrillt und somit elastische Formän­ derungsarbeit in sich speichert, die plötzlich freiwerden kann, wenn die Belastung mit dem Drehmoment aufhört. Diese Formänderungsarbeit, die auch als Verdrillungsenergie bezeich­ net werden kann, ist abhängig vom dem eingeleiteten Drehmoment und der Länge des Gestänges. Bei einem Antriebskopf der ge­ nannten Gattung wird das Drehmoment beispielsweise von einem Elektromotor über ein Getriebe mit Untersetzungsverhältnis 4 : 1 auf die Hülse übertragen und von dort über das möglicherweise mehrere hundert Meter lange Gestänge zu einem mit dessen un­ terem Ende verbundenen Pumpenrotor weitergeleitet. Bei einer Belastung des Gestänges mit dem größten zulässigen Drehmoment kann es vorkommen, daß die Verdrillung des Gestänges von der Hülse bis zum unteren Ende 8 oder 10 Umdrehungen ausmacht. Wird nun der Motor abgeschaltet, oder fällt er wegen eines Defekts aus, so muß dafür gesorgt werden, daß die im Gestänge gespei­ cherte Verdrillungsenergie nicht schlagartig frei wird. Diese nötige Vorsorge gebietet es, bei dem bekannten Antriebskopf die Rücklaufbremse stets vor dem Einschalten des Motors zu blockie­ ren, damit sie auf jeden Fall wirksam ist, wenn der Motor ab­ geschaltet wird oder ausfällt. Wenn der Motor, und somit auch das Gestänge, aufgehört hat, sich vorwärts zu drehen, wird die Rücklaufbremse langsam und vorsichtig gelöst, damit sich das Gestänge allmählich entspannen kann, ohne Schaden anzurichten. Wird danach vergessen, die Rücklaufbremse wieder festzuziehen, ehe der Motor wieder eingeschaltet wird, so kann bei einem spä­ teren Abschalten oder Ausfall des Motors erhebliches Unglück geschehen; es ist schon vorgekommen, daß von einem sich plötz­ lich entspannenden Gestänge das Gehäuse eines bekannten An­ triebskopfes aus seinen Verankerungen gerissen worden ist und eine sich in seiner Nähe aufhaltende Person tödlich verletzt hat. Gefahren können auch dann entstehen, wenn eine an sich vor­ schriftsmäßig vor dem Einschalten des Motors blockierte Rück­ laufbremse nach dem Abschalten oder Ausfall des Motors zu schnell gelöst wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen An­ triebskopf für ein drehantreibbares Gestänge derart weiter zu­ bilden, daß im Gestänge gespeicherte Verdrillungsenergie in jedem Fall unschädlich gemacht wird, ohne daß dazu irgendeine Handhabung im Einzelfall erforderlich ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäß als Bestandteil der Rücklaufbremse vorge­ sehene Pumpe ist ständig betriebsbereit und beginnt sofort zu arbeiten, sobald sich die Drehrichtung des Gestänges, ausgehend von dessen normaler Betriebsdrehrichtung, umkehrt und infolge­ dessen das Richtungsgesperre die Hülse, und somit das Gestänge, drehmomentübertragend mit der Pumpe verbindet. Deshalb kann die im Gestänge gespeicherte Verdrillungsenergie zu keinem Zeit­ punkt mehr unkontrolliert freiwerden, sondern sie wird von dem Augenblick an, in dem das Gestänge sich rückwärts zu drehen beginnt, an den hydraulischen Kreislauf abgegeben und in diesem wegen der Drosselstelle letzten Endes in Wärme verwandelt. Die größtmögliche Verdrillungsenergie, die im Gestänge gespeichert werden kann, und somit die erforderliche Wärmekapazität des hydraulischen Kreislaufs, läßt sich leicht berechnen; eine Gefährdung durch verdampfendes hydraulisches Medium läßt sich somit ausschließen.

Mit der im Anspruch 2 beschriebenen Weiterbildung der Erfindung wird erreicht, daß das gesamte zum Schmieren des Getriebes vor­ gesehene Öl, oder zumindest ein großer Teil davon, die Wärme aufnehmen kann, die durch Umwandlung der im Gestänge gespeicherten Verdrillungsenergie entsteht.

Die Gestaltung gemäß Anspruch 3 ermöglicht es, mit einer ver­ hältnismäßig kleinen Pumpe auszukommen.

Die Gestaltung gemäß Anspruch 4 und deren im Anspruch 5 be­ schriebene Weiterbildung ergeben eine besonders platzsparende Bauweise.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung mit weiteren Einzelheiten er­ läutert. In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Antriebs­ kopf in einem senkrechten axialen Schnitt dargestellt.

Der Antriebskopf dient zum Drehen eines senkrechten Gestänges 10, das sich von der Erdoberfläche aus in ein Bohrloch er­ streckt und an seinem unteren Ende mit einem nicht dargestell­ ten Pumpenrotor, beispielsweise einem wendelförmigen Rotor ei­ ner Exzenterschneckenpumpe, verbunden ist. Das Gehäuse 12 umschließt eine Getriebekammer 14, eine im wesentlichen waage­ rechte Zwischenwand 16, welche die Getriebekammer 14 von einer unter ihr angeordneten Dichtungskammer 18 trennt, sowie eine Gesperre- und Bremsenkammer 20, die ebenfalls unter der Getrie­ bekammer 14 angeordnet und von der seitlich neben ihr liegenden Dichtungskammer 18 durch eine senkrechte Zwischenwand 22 ge­ trennt ist. Im Gehäuse sind senkrecht übereinander ein unterer Durchlaß 24 und einer oberer Durchlaß 26 ausgebildet, durch die hindurch das Gestänge 10 abgesenkt und angehoben werden kann. Die Getriebekammer 14 und die Gesperre- und Bremsenkammer 20 sind durch einen Öldurchlaß 28 ständig miteinander verbunden und im wesentlichen mit Getriebeöl gefüllt. Die Dichtungskammer 18 enthält ein Sperrfluid, dessen Niveau durch eine nicht dar­ gestellte Überwachungseinrichtung, beispielsweise ein Schauglas oder einen Sensor, überwacht werden kann.

Durch den oberen Durchlaß 26 ersteckt sich von oben her eine Hülse 30 senkrecht nach unten in die Getriebekammer 14 und weiter durch die waagerechte Zwischenwand 16 hindurch in die Dichtungskammer 18. Die Hülse 30 ist in der Zwischenwand 16 mittels eines unteren Radiallagers 32 und unmittelbar darüber mittels eines Axiallagers 34 gelagert und ist ferner im oberen Durchlaß 26 des Gehäuses 12 mittels eines oberen Radiallagers 36 gelagert. Oberhalb des Gehäuses 12 ist die Hülse 30 durch eine Kupplung 40 üblicher Bauart drehmomentübertragend mit dem Gestänge 10 verbunden. Die Kupplung 40 ist lösbar, um das Gestänge 10 zu heben oder zu senken. Ein unterer Endbereich der Hülse 30 ist von einem topförmigen Einsatz 42 umschlossen, der durch den unteren Durchlaß 24 in das Gehäuse 12 eingesetzt und an diesem festgeschraubt sowie abgedichtet ist. Gegen die Hülse 30 ist der Einsatz 42 durch eine von ihm umschlossene untere Gleitringdichtung 44 abgedichtet. In einem Abstand oberhalb davon ist eine obere Gleitringdichtung 46 angeordnet, welche die Hülse 30 gegen die waagerechte Zwischenwand 16 abdichtet.

In einem Abstand parallel zur Hülse 30 ist eine Vorgelegewelle 48 als Bestandteil eines Getriebes 50 angeordnet, über das die Hülse 30, und somit das Gestänge 10, von einem außerhalb des Gehäuses 12 angeordneten, nicht dargestellten Motor, bei­ spielsweise Elektromotor, antreibbar ist. Die Vorgelegewelle 48 ist im Gehäuse 12 mittels eines unteren Lagers 52 und eines oberen Lagers 54 gelagert und weist zwischen diesen beiden Lagern ein an ihr befestigtes oder, wie dargestellt, mit ihr einstückig ausgebildetes Ritzel 56 auf, das mit dem Zahnrad 38 in ständigem Eingriff steht. Die Vorgelegewelle 48 hat einen Wellenzapfen 58, der sich über das untere Lager 52 hinaus nach unten erstreckt und ein Richtungsgesperre 60 trägt.

Zum Richtungsgesperre 60 gehören zwei auf dem Wellenzapfen 58 in axialem Abstand voneinander angeordnete Lager 62, zwischen denen eine mit dem Wellenzapfen 58 zu gemeinsamer Drehung ver­ bundene innere Laufbüchse 64 angeordnet ist. Die innere Lauf­ büchse 64 ist in einem radialen Abstand von einer äußeren Lauf­ büchse 66 umschlossen, die auf den beiden Lagern 62 gelagert ist. Die beiden Laufbüchsen 64 und 66 sind mit der Vorgelege­ welle 48 gleichachsig angeordnet und begrenzen einen Ringraum, der fliehkraftabhängige Klemmrollen 68 enthält. Das so gestal­ tete Richtungsgesperre 60 wirkt in Betriebsdrehrichtung der Vorgelegewelle 48 als Freilauf, sperrt jedoch und treibt eine hydraulische Pumpe 70, wenn die Vorgelegewelle 48 in entgegen­ gesetzter Richtung angetrieben wird.

Zur Pumpe 70 gehört eine Pumpenwelle 72, die an die äußere Laufbüchse 66 angeflanscht ist und einen Pumpenrotor 74 trägt. Der Pumpenrotor 74 ist mit der Pumpenwelle 72 zu gemeinsamer Drehung verbunden, beispielsweise durch ein Vielnutprofil, und ist von einem Pumpenstator 76 umschlossen. In den Pumpenrotor 74 sind mehrere, z. B. sechs radiale Zylinder 78 in gleichen Winkelabständen eingearbeitet, die je einen Kolben 80 enthal­ ten. Jeder Kolben 80 ist von einer Feder 82 radial nach außen vorgespannt und stützt sich über einen Gleitkörper 84 an einer zum Pumpenstator 76 gehörigen, ringförmig-ovalen Laufbahn ab, so daß der Kolben 80 bei jeder vollen Umdrehung des Pumpenro­ tors 74 eine hin- und hergehende Bewegung ausführt. Gegen den Pumpenrotor 74 ist ein neben ihm angeordneter, axial zu ihm hin federnd vorgespannter Steuerkörper 88 angeordnet, der am Pumpenstator 76 gegen Drehen gesichert ist.

Radial außerhalb des Steuerkörpers 88 ist eine Drosselstelle 90 angeordnet, die zu einem von der Pumpe 70 gespeisten hydrau­ lischen Kreislauf gehört. Zu diesem Kreislauf gehören ferner ein Einlaßkanal 92, der von der Gesperre- und Bremsenkammer 20 durch den Pumpenstator 76 und den Steuerkörper 88 zum Zylinder 78 führt, sowie ein Auslaßkanal 94, der vom Zylinder 78 durch den Steuerkörper 88 und den Pumpenstator 76 zur Drosselstelle 90 führt. Durch die Drosselstelle 90 gelangt das von der Pumpe 70 geförderte Fluid wieder in die Gesperre- und Bremsenkammer 20. Der Öldurchlaß 28 ermöglicht einen ständigen Fluidaustausch zwischen der Getriebekammer 14 und der Gesperre- und Bremsen­ kammer 20. Infolgedessen verteilt sich Wärme, die durch die Drosselung entsteht, auf das gesamte Fluid, das im dargestell­ ten Beispiel zu einem erheblichen Teil in der Getriebekammer 14 enthalten ist und das Getriebe 50 schmiert.

Das Richtungsgesperre 60 und die Pumpe 70 sind von unten her durch eine mit einem Deckel 96 verschlossene Öffnung in das Gehäuse 12 eingebaut. Ebenfalls an die Unterseite des Gehäuses 12 ist ein mit dem Gestänge 10 gleichachsiger Adapter 98 ange­ flanscht, der den gesamten Antriebskopf trägt und ihn gegen Drehen sichert.

Sollte die untere Gleitringdichtung 44 undicht werden und des­ halb Fördermedium, z. B. Rohöl, in die Dichtungskammer 18 ein­ dringen, so würde der Pegel des Sperrfluids in der Dichtungs­ kammer 18 ansteigen, woraus ein Signal zum Abschalten des An­ triebs abgeleitet werden kann, ehe auch die obere Gleitring­ dichtung 46 undicht wird. Eine Beschädigung der Lager 34 und 36 oder sonstiger Bauteile, die zu einem Blockieren des Getriebes 50 führen könnte, ist also nicht zu befürchten. Es bleibt des­ halb gewährleistet, daß im Gestänge 10 gespeicherte Verdril­ lungsarbeit nach einem Abschalten des Antriebs über die von dem Kreislauf mit der Pumpe 70 und der Drosselstelle 90 gebildete Rücklaufbremse vollständig abgebaut wird.

Claims (5)

1. Antriebskopf für ein drehantreibbares Gestänge (10), insbes. zum Antreiben einer Bohrlochpumpe, mit

• - einem Gehäuse (12), das zwei voneinander abgewandte Durchlässe (24, 26) für das Gestänge (10) aufweist,
• - einer Hülse (30), die einen Abschnitt des Gestänges (10) um­ schließend und mit den Durchlässen (24, 26) fluchtend im Gehäuse (12) gelagert ist,
• - einer Kupplung (40), die das Gestänge (10) mit der Hülse (30) verbindet,
• - einem Getriebe (50), das in dem Gehäuse (12) angeordnet und zum Antreiben der Hülse (30) vorgesehen ist,
• - einer Rücklaufbremse zum kontrollierten Abbau von im Gestänge (10) gespeicherter Verdrillungsenergie, und
• - einem Richtungsgesperre (60), das die Hülse (30) nur bei Rück­ lauf drehmomentübertragend mit der Rücklaufbremse verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufbremse einen hydrauli­ schen Kreislauf mit einer Pumpe (70) und einer Drosselstelle (90) aufweist.

2. Antriebskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (70) und die Drosselstelle (90) innerhalb des Gehäuses (12) angeordnet und von Öl gespeist sind, das auch zum Schmieren des Getriebes (50) verwendet wird.

3. Antriebskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (50) eine Vorgelege­ welle (48) aufweist, die mit der Pumpe (70) über das Richtungs­ gesperre (60), und mit der Hülse (30) ständig, drehmomentüber­ tragend verbunden ist.

4. Antriebskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorgelegewelle (48) achsparallel zur Hülse (30) und gleichachsig mit der Pumpe (70) angeordnet ist.

5. Antriebskopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vom Gehäuse (12) eine Getriebekammer (14), eine Dichtungskammer (18) und eine Gesperre- und Bremsen­ kammer (20) umschlossen sind, von denen

• - die Getriebekammer (14) einen Abschnitt der Hülse (30) sowie deren Lager (32, 34, 36), einen Abschnitt der Vorgelegewelle (48) sowie deren Lager (52, 54) und miteinander kämmende Zahn­ räder (38, 56) enthält und mindestens teilweise mit Getriebeöl gefüllt ist,
• - die Dichtungskammer (18) unterhalb der Getriebekammer (14) angeordnet ist, gegen diese sowie nach unten hin durch je eine Gleitringdichtung (46, 44) abgedichtet ist, einen unteren Ab­ schnitt der Hülse (30) enthält und teilweise mit Sperrfluid gefüllt ist und
• - die Gesperre- und Bremsenkammer (20) ebenfalls unterhalb der Getriebekammer (14) angeordnet ist, das Richtungsgesperre (60), die Pumpe (70) und die Drosselstelle (90) enthält, mit Getriebeöl gefüllt und mit der Getriebekammer (14) durch mindestens einen Öldurchlaß (28) verbunden, von der Dichtungskammer (18) hingegen getrennt ist.