DE2141866B2 - Turbinenbohrer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf hydraulische Bohrtriebwerke zur Bohrung bei Erkundung bzw. Gewinnung von Erdöl, Gas und anderen Bodenschätzen. Sie betrifft Turbinenbohrer zur Niederbringung von Bohrlöchern mit einem Gehäuse einschließlich in

diesem befestigten Statoren, deren Schaufeln Leitkanäle für Spülflüssigkeit bilden, mit Rotoren, deren Schaufeln eine in bezug auf die Statorschaufeln entgegengesetzte Neigung aufweisen, mit einer in einer Wälzlagerung angeordneten Welle sowie mit einem Getriebe zur Verminderung der Meißeldrehzahl.

Es ist ein Turbinenbohrer zur Niederbringung von Bohrungen bekannt, der ein Gehäuse mit starr im letzteren befestigten Statoren, deren Schaufeln Leitkanäle, in denen die Spülflüssigkeit läuft, bilden, und Rotoren, deren Schaufeln in bezug auf die Statorschaufeln entgegengesetzte Richtung aufweisen, wodurch der gemeinsam mit dem Stator eine Turbinenstufe bildende Rotor in bezug auf den Stator läuft, und eine in Wälzlagerung angeordnete Welle enthält (USA.-Patentschrift 2 353 534).

Beim Betrieb des erwähnten Turbinenbohrers läuft die Welle mit hohen Geschwindigkeiten (Betriebsdrehzahl 400 bis 800 U/min) und versetzt ein Bohrwerkzeug, z. B. einen Rollenmeißel, in Drehung.

Der Betrieb der Rollenmeißel mit großen Drehzahlen führt zu einer Verminderung der Vortriebsleistung je Meißel. Weil die Aus- und Einbauarbeiten bei Tiefbohrungen einen erheblichen Zeitaufwand beanspruchen, ist der Bohrbetrieb mit den erwähnten Drehzahlen wirtschaftlich nicht zweckmäßig.

Es sind Bauarten von Turbinenbohrern bekannt, bei denen die Meißeldrehzahl durch ein mechanisches Zahnradreduziergetriebe vermindert wird.

In einer Reihe von Konstruktionen wird das Zahnradreduziergetriebe in einem ölgefüllten Hohlraum untergebracht, der mit einer (^schutzvorrichtung versehen ist. Solche Bohrtriebwerke sind kompliziert in der Herstellung und nicht betriebssicher (UdSSR-Urheberschein 546).

Es sind auch Bohrtriebwerke bekannt, die ein offenes Zahnradreduziergetriebe, d. h. ein Reduziergetriebe, das im Spülflüssigkeitsmedium arbeitet, enthalten. Die Konstruktionen solcher Triebwerke sind im Vergleich mit den ölgefüllten einfacher, jedoch weist das offene Zahnradreduziergetriebe eine sehr kurze Lebensdauer infolge der hohen spezifischen Belastungen und des Schleifmediums, welches die Spülflüssigkeit darstellt, auf (UdSSR-Urheberschein 148 764).

Es ist auch ein Planetengetriebe in der Art eines Reibungsgetriebes zur Erhöhung der Drehzahl bekannt (USA.-Patentschrift 3 407 671), bei dem zwischen dem Innenrad und dem Außenrad in zur axialen Ebene abgeschrägten Ausschnitten des Käfigs die Wälzkörper geführt sind. Bei der Drehung des Käfigs werden die Kugeln durch die Zentrifugalkraft längs der Achse des Käfigs verschoben und an die Laufbahnen des Außen- und Innenrades angepreßt. Die besondere Ausbildung bedingt, daß das Außenrad feststeht und der Abtrieb über das Innenrad erfolgt. Ein Austausch ist nicht möglich. Weiter ist die Zahl der möglichen Reihen durch den komplizierten Aufbau begrenzt Bei gößerer Belastung macht die Verteilung der Kräfte Schwierigkeiten. Ist die Zahl der Reihen gering, wird die spezifische Belastung zu groß und der Verschleiß zu groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der erwähnten Nachteile einen Turbinenbohrer einfacher Bauart zu entwickeln, der einen sicheren Betrieb des Bohrwerkzeugs mit Drehzahlen des Meißels, die für das Rotorbohren kennzeichnend sind, gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Getriebe zur Verminderung der Drehzahl des Meißels als Reibungsreduziergetriebe ausgeführt ist, bei dem die Rotoren als Innenrad und die Statoren als Außenrad vorgesehen sind, wobei zwischen den Statoren und den Rotoren in einem Käfig des Getriebes Wälzkörper angeordnet sind, die zum Rollen beim Lauf des Rotors infolge Einwirkung von Berührungsreibkräften ausgebildet sind, und wobei außer dem Rotor mindestens die Welle oder der Stator rotierbar sind.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, eine einfache und kompakte Bauart des Turbinenbohrers mit einem zur Verminderung der Meißeldrehzahl bestimmten Drehwerk zu entwickeln, das außer dem Käfig mit Wälzkörpern aus den Hauptteilen des Turbinenbohrers, und zwar aus Rotor, Stator und Welle zusammengesetzt ist.

Es können zweckmäßigerweise das Gehäuse des Turbinenbohrers starr mit dem feststehenden Bohrgestänge verbunden sein und die Welle und der Rotor in bezug aufeinander sich drehen. Dadurch kann der erfindungsgemäß ausgeführte Turbinenbohrer mit einer üblichen Zusammenstellung des Bohrwerkzeugs eingesetzt werden: Bohrstangen, Turbinenbohrer, Lagerungsbaugruppe des Turbinenbohrers, welche die Belastung von den Bohrstangen auf den Meißel überträgt, und Meißel.

Es können auch zweckmäßigerweise die Welle starr mit der feststehenden Rohrtour verbunden sein und der Stator und Rotor in bezug aufeinander sich drehen. Dadurch wird es möglich, die Lebensdauer des Reduziergetriebes zu verlängern und mehrere technische Vorteile zu erhalten, nämlich eine Vergrößerung des vom Turbinenbohrer erzeugten Drehmoments, Verbesserung der Bohrlochsohlensäuberung vom zerstörten Gestein durch Beseitigung des Spülflüssigkeitsverlusts aus dem Turbinenbohrer in der Meißelzone und Verminderung der Bohrlochabweichung beim Bohren in stark einfallenden Erdschichten.

Es ist zweckmäßig, einen Käfig mit Wälzkörpern in jeder Turbinenstufe anzuordnen. Dadurch wird eine gleichmäßige Belastung auf die Wälzkörper gewährleistet und die Belastung der letzteren vermindert, wodurch eine wesentliche Erhöhung des Arbeitsvermögens des im Spülflüssigkeitsmedium in Betrieb stehenden Reduziergetriebes erzielt werden kann.

Es ist zweckmäßig, den Käfig mit den Wälzkörpern unter den Schaufeln des Stufenrotors anzuordnen. Dadurch können im Käfig Wälzkörper von möglichst maximaler Größe untergebracht und eben hiermit kann das auf den Meißel übertragene Drehmoment vergrößert werden.

Es kann aber auch zweckmäßig sein, den Käfig mit den Wälzkörpern zwischen den Schaufeln des Stators und des Rotors und der Welle anzuordnen. Dadurch wird die Erzeugung eines hohen Wirkungsgrades und eine Verminderung der Turbinenbohrerlänge gewährleistet.

Der Käfig kann zwecks Übertragung des Moments mit einer Nabe versehen und dieselbe mindestens mit einem der zwei Glieder — Welle und Rotor der tieferliegenden Turbinenstufe — verbunden werden.

Hierbei ist es zur Übertragung des Moments auf die Welle zweckmäßig, die Nabe eines jeden Käfigs mit der Welle mit Möglichkeit einer gegenseitigen axialen Verschiebung zu verbinden. Dadurch wird die Unabhängigkeit der Berührungsreibkräfte zwi-

sehen den Wälzkörpern, Stator und Rotor von den Axialverschiebungen der Welle gewährleistet.

Auch ist es zweckmäßig, mindestens eine jede zweite Käfignabe auf der Turbinenbohrerlänge mit dem Rotor der tieferliegenden Stufe zu verbinden, wodurch eine Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes gewährleistet wird.

Es ist zweckmäßig, zum Rollen der Wälzkörper den Rotor und Stator mit Laufbahnen zu versehen und dabei die Laufbahn am Rotor oberhalb derjenigen am Stator anzuordnen, wodurch die Wälzkörper unter Einwirkung der abwärts gerichteten Axialkraft an die Laufbahnen gepreßt werden und zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen am Rotor und Stator Berührungsreibkräfte entstehen, die eine Übertragung des Drehmoments auf den Meißel gewährleisten. Die zwecks Übertragung des Drehmoments erforderliche Preßkraft der Wälzkörper an die Laufbahnen wirkt dank der am Läufer infolge des Druckgefälles entstehenden Axialkraft.

Es ist zweckmäßig, zwischen Lenkernabe und Rotor einen Dichtungsring anzuordnen, der die Preßkräfte der Wälzkörper an die Laufbahnen des Rotors und Stators vergrößert.

Es ist zweckmäßig, den Rotor und Stator mit Ringen auszuführen, die eine Verlängerung derselben längs der Turbinenbohrerachse darstellen, wobei auf diesen Ringen Laufbahnen zum Rollen der Wälzkörper vorgesehen werden.

Es ist auch zweckmäßig hierbei, die Ringe des Rotors und des Stators und den Käfig mit den Wälzkörpern unter der Turbine des Turbinenbohrers anzuordnen. Dies macht es möglich, den Wirkungsgrad des Turbinenbohrers zu erhöhen und die Konstruktion desselben zu vereinfachen.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Rotor- und Statorringe mit den Laufbahnen und den Käfig mit den Wälzkörpern über der Turbine des Turbinenbohrers anzuordnen. Dies vereinfacht die Konstruktion des Turbinenbohrers und vergrößert dessen Wirkungsgrad.

Es ist zweckmäßig, die Laufbahnen der Rotoren und Statoren konkav auszuführen. Dadurch wird eine Versetzung der Wälzkörper von den Laufbahnen und das Herausfallen der Wälzkörper aus den Käfigzellen verhindert, und die Berührungsverhältnisse zwischen den Wälzkörpern und Laufbahnen werden verbessert.

Es ist auch zweckmäßig, die Laufbahnen der Statoren kegelförmig auszuführen. Ein Vorzug solcher Laufbahnen besteht in der Einfachheit ihrer Ausführung und in der Beständigkeit der Berührungsreibkräfte zwischen Laufbahnen und Wälzkörpern beim Verschleiß der letzteren.

Es ist zweckmäßig, zur Vergrößerung der Preßkraft der Wälzkörper an die Laufbahnen des Rotors und Stators den letzteren axial verschiebbar in bezug auf die Welle des Turbinenbohrers auszuführen.

Es ist zweckmäßig, zur Erzeugung einer optimalen Reibkraft zwischen den Wälzkörpern und Laufbahnen des Rotors und Stators die Schaufeln derselben in Propellergestalt auszuführen. Eine solche Ausführung der Schaufeln ermöglicht es, die Preßkraft der Wälzkörper an die erwähnten Laufbahnen mit dem Anwachsen des Drehmoments am Meißel automatisch zu vergrößern.

Es ist zweckmäßig, zur Anordnung der Wälzkörper im Lenker solche Zellen vorzusehen, in denen mit elastischem Werkstoff verkleidete Hülsen abnehmbar eingebaut sind. Infolge der geringen Reibkräfte zwischen Wälzkörpern und elastischem Werkstoff (Gummi) im Spülflüssigkeitsmedium wird der Wirkungsgrad des Reibungsreduziergetriebes erhöht und seine Lebensdauer verlängert; das Vorhandensein von auswechselbaren Hülsen vereinfacht die Ausbesserungsarbeiten am Reduziergetriebe.

Es ist auch zweckmäßig, die Wälzkörper als Kugeln auszuführen. Dadurch kann ein gleichmäßiger Verschleiß der Wälzkörper ermöglicht und eben hiermit eine Störung der Kinematik im Betrieb des Reduziergetriebes während des Betriebsverlaufs des Turbinenbohrers vermieden werden.

Durch die Erfindung wurde ein Turbinenbohrer einfacherer Bauart entwickelt, der einen sicheren Betrieb des Bohrwerkzeugs mit Drehzahlen gewährleistet, die für das Rotarybohren kennzeichnend sind.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 Längsschnitt des erfindungsgemäßen Turbinenbohrers mit rotierender Welle in schematischer Darstellung,

Fig. 2 Schaufelquerschnitt am Rotor und Stator einer Turbinenstufe,

F i g. 3 Längsschnitt einer Turbinenstufe des Turbinenbohrers bei Anordnung des Käfigs mit den Wälzkörpern unter den Rotorschaufeln,

F i g. 4 Anordnung der Laufbahnen in den Ringen des Stators und Rotors,

F i g. 5 schematische Darstellung des Längsschnitts des erfindungsgemäßen Turbinenbohrers mit rotierendem Gehäuse,

F i g. 6 Längsschnitt einer Turbinenstufe des Turbinenbohrers bei Anordnung der Käfige mit Wälzkörpern zwischen den Stator- und Rotorschaufeln und der Welle,

F i g. 7 Längsschnitt einer Turbinenstufe mit Dichtungsring zwischen der Käfignabe und dem Rotor,

F i g. 8 schematische Darstellung des Längsschnitts eines Teils des erfindungsgemäßen Turbinenbohrers mit zweistufigem Getriebe,

F i g. 9 schematische Darstellung des Längsschnitts des erfindungsgemäßen Turbinenbohrers mit rotierender Welle und bei Anordnung der Käfige mit Wälzkörper unter der Turbine des Turbinenbohrers,

Fig. 10 schematische Darstellung des Längsschnitts des erfindungsgemäßen Turbinenbohrers mit rotierendem Gehäuse und bei Anordnung der Käfige mit Wälzkörpern über der Turbine des Turbinenbohrers,

Fig. 11 Längsschnitt einer Turbinenstufe des Turbinenbohrers mit einem axial verschiebbaren Stator,

Fig. 12 Schaubild der Abhängigkeit zwischen Momenten- und Druckgefällewert und Drehzahl der Propellerturbine.

In Fig. 1 ist eine der Bauartabwandlungen des erfindungsgemäßen Turbinenbohrers dargestellt. Der Turbinenbohrer enthält eine auf einer Wälzlagerung 2 montierte Welle 1, ein Gehäuse 3 mit in ihm befestigten Statoren 4, Rotoren 5, welche mit den Statoren 4 die die Turbine 7 zusammenstellenden Stufen 6 bilden, sowie ein Werk zur Drehzahlverminderung des Meißels 8, das als Reibungsreduziergetriebe 9 ausgeführt ist, welches aus den folgenden Gliedern zusammengesetzt wird: den als Außenring des Reduziergetriebes 9 wirkenden Statoren 4, den als treibendes Innenrad des Untersetzungsgetriebes wirkenden Ro-

toren 5 und zwischen den Statoren 4 und Rotoren 5 angeordneten Käfigen 10 mit als Kugeln 11 ausgeführten Wälzkörpern.

Die Statoren 4 sind mit Schaufeln 12 (F i g. 2) versehen, die in bezug auf die Ebene, welche zur Turbinenbohrerachse senkrecht verläuft, geneigt sind und Leitkanäle 13 zur Spülflüssigkeit bilden.

Schaufeln 14 des Rotors 5 weisen eine Richtung auf, die in bezug auf die Schaufeln 12 des Stators 4 entgegengesetzt ist, wodurch beim Spülflüssigkeitslauf die Rotoren 5 in bezug auf die Statoren 4 rotieren.

Die Statoren 4 und Rotoren 5 weisen konkave Laufbahnen 15 bzw. 16 (F i g. 3) auf. Die Laufbahnen 15 und 16 sind zum Walzen der Kugeln 11 unter Einwirkung der Drehung der Rotoren 5 erforderlich, wobei die Laufbahn 16 des Rotors 5 höher als die Laufbahn 15 des Stators 4 liegt. Die durch die Punkte A und B (Fig. 4) laufende Berührungslinie der Kugel 11 mit den Laufbahnen 15 und 16 bildet einen Winkel β mit der Ebene, die zur Turbinenbohrerachse senkrecht liegt, wodurch unter Einwirkung einer durch den Pfeil angegebenen, abwärts gerichteten hydraulischen Axialkraft P die Kugeln 11 in den Punkten A und B an die Laufbahnen gepreßt werden; dadurch entstehen zwischen den Kugeln und den Laufbahnen des Stators und des Rotors Berührungsreibkräfte, welche die Übertragung des Rotordrehmoments über das Reibungsreduziergetriebe 9 auf den Meißel 8 gewährleisten.

Der Meißel 8 ist durch ein Gewinde über eine Lagerbaugruppe 17 (Fig. 1) mit der Welle 1 verbunden, mit welcher die Käfige 10 des Getriebes 9 ebenfalls gekoppelt sind.

Um eine gleichmäßige Verteilung der Belastung und eine Verminderung derselben auf die Kugeln 11 zu erreichen, wird ein Käfig 10 mit Kugeln 11 in jeder Stufe 6 der Turbine 7 angeordnet. Dabei wird der Käfig 10 mit Kugeln 11 unter dem Läufer 5 angeordnet, wodurch die Kugeln 11 maximaler Größe eingesetzt werden können.

Die Käfige 10 des Getriebes 9 zur Übertragung des Drehmoments auf die Welle 1 weisen je eine Nabe 18 (Fig. 3) auf. Die Nabe 18 eines jeden Käfigs 10 des Getriebes 9 ist durch einen Keil 19 mit der Welle 1 verbunden, wobei die Nabe und Welle gegenseitig axial verschiebbar sind. Der Keil 19 ist in der Nabe 18 befestigt und greift in eine Richtkeilnut 20 der Welle 1 ein. Dadurch wird die Unabhängigkeit der Berührungsreibkräfte zwischen den Kugeln 11 und den Laufbahnen 16 und 15 von den axialen Verschiebungen der Welle 1 gewährleistet.

Zur Verminderung der Leckverluste an Spülflüssigkeit ist an der Nabe 18 des Käfigs 10 der Radialspalt zwischen dem Stator 4 und der Welle 1 klein gehalten.

Die Kugeln 11 sitzen in Zellen 21 der Käfige 10. Zur Verminderung des Verschleißes der Zellen 21 und der Kugeln 11 sowie auch zur Vereinfachung der Ausbesserungsarbeiten sind in den Zellen 21 auswechselbare, mit Gummi verkleidete oder vollständig aus Gummi gefertigte Hülsen 22 eingesetzt.

Das Gehäuse 3 ist mit einem oberen Gewinde 23 (Fig. 1) zum Anschluß an das nicht rotierende Bohrgestänge versehen.

Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Turbinenbohrers wird durch das Getriebe 9 die auf den Meißel übertragene Umlaufgeschwindigkeit reduziert und das Drehmoment um einen Wert vergrößert, der dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes gleich ist. Dadurch kann der Meißelbetrieb mit optimalem Ablauf geführt werden, und eben hiermit wird der Wirkungsgrad der Bohrarbeiten wesentlich erhöht.

Auf Grund der Ausnutzung der erfindungsgemäßen Bauart des oben beschriebenen Turbinenbohrers werden hier weitere Abwandlungen der Turbinenbohrerkonstruktion, die in F i g. 5 bis 11 dargestellt sind, vorgeschlagen.

In F i g. 5 ist eine dieser Abwandlungen der Turbinenbohrerkonstruktion dargestellt. Hier ist zum Unterschied vom in F i g. 1 dargestellten Turbinenbohrer die Lagerbaugruppe 17 starr mit dem nicht rotierenden Bohrgestänge verbunden. In diesem Fall ist der Meißel 8 über ein Übergangsstück 24 durch ein Gewinde mit dem Unterteil des Gehäuses 3 verbunden. Bei einer solchen Ausführung des Turbinenbohrers rotieren die Welle 1 und die mit ihr verbundenen Käfige 10 des Getriebes 9 nicht, das Gehäuse 3 mit den in ihm befestigten Statoren 25 aber rotiert.

Ein Stator 25 und ein Rotor 26 drehen sich beim Betrieb in entgegengesetzten Richtungen. Um einen normalen Umlauf im Uhrzeigersinn des Meißels 8 zu erzeugen, wird das Profil von Schaufeln 27 am Stator 25 ähnlich demjenigen der Schaufeln 14 des Rotors 5 (Fig. 2) ausgeführt, das Profil von Schaufeln 28 des Rotors 26 aber ähnlich demjenigen der Schaufeln 12 des Stators 4. Die anderen Teile und Baugruppen des in F i g. 5 dargestellten Turbinenbohrers sind wie die Teile des in Fig. 1 dargestellten Turbinenbohrers ausgeführt.

Im Betrieb dieses Turbinenbohrers wird ein Teil der Leistung, die von der Turbine 29 des Turbinenbohrers erzeugt wurde, auf den Meißel 8 über das Gehäuse 3 direkt von den rotierenden Statoren 25 übertragen, der andere Leistungsteil aber wird dem Meißel über ein Reibungsreduziergetriebe 30 und das Gehäuse 3 von den laufenden Rotoren 26 übertragen.

Da die Käfige 10 des Getriebes 30 nicht rotieren, verkleinert sich das Übersetzungsverhältnis des Getriebes um 1. Bei einem Übersetzungsverhältnis gleich 2 werden z. B. über das Getriebe nur -U der Leistung, die von der Turbine des Turbinenbohrers erzeugt wurde, übertragen. Der Restteil der Leistung wird, wie oben erwähnt, direkt von den rotierenden Statoren auf den Meißel übertragen. Unter allen anderen gleichen Verhältnissen wird die Gesamtleistung am Meißel dieselbe sein wie auch bei dem in Fig. 1 dargestellten Turbinenbohrer. Auch der Verminderungsgrad der Meißeldrehzahl und die Vergrößerung des Drehmoments am Meißel bleiben unverändert, da durch den Umlauf des Stators 25 in der entgegengesetzten Richtung der Rotor 26 in bezug auf die feststehende Welle mit einer entsprechend kleineren Geschwindigkeit läuft, am Gehäuse 3 des Turbinenbohrers aber die Summierung der Stator- und Rotormomente erfolgt. Zum Beispiel wird bei einem Übersetzungsverhältnis 2 beim Getriebe 26 die Meißeldrehzahl um das Dreifache vermindert, das Moment an dem Meißel aber um das Dreifache vergrößert.

Durch die Verminderung der relativen Drehzahl

des Rotors wird sich die Gleitgeschwindigkeit der Kugeln in bezug auf den Käfig ebenfalls verringern, was hinsichtlich der Verschleißverkleinerung an den Käfigen und Kugeln besonders wichtig ist.

Außer der Lebensdauerverlängerung des Getriebes 30 weist der Turbinenbohrer mit rotierendem Ge-

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häuse mehrere andere Vorzüge auf: Durch das Fehlen von Spülflüssigkeitsverlusten findet eine Vergrößerung des Drehmoments statt; im Meißelbereich erfolgt eine bessere Reinigung der Bohrlochsohle vom zerstörten Gestein; die Bohrlochabweichung beim Bohren von stark abfallenden Schichten wird geringer. Aus allen diesen Gründen ist der Turbinenbohrer mit rotierendem Gehäuse im Betrieb wirksamer.

In F i g. 6 ist die Abwandlung der Ausführung des Turbinenbohrers dargestellt, bei der ein Käfig 31 mit Kugeln 32 zwischen Schaufeln 33 eines Stators 34, Schaufeln 35 eines Rotors 36 und einer Welle 37 angeordnet ist. Die Verbindung des Käfigs 31 mit der Welle 37 erfolgt durch den Keil 38. Eine solche Ausführung des Turbinenbohrers gewährleistet eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine des Turbinenbohrers und eine Verminderung seiner Axiallänge. Infolge Vergrößerung der Kugelanzahl, die in jedem Käfig 31 angeordnet sind, wird die Lebensdauer des Drehzahlminderers verlängert. Diese Ausführungsart ist besonders zweckmäßig für Turbinenbohrer großer Durchmesser (7¹V und darüber) zu benutzen.

In F i g. 7 ist eine Abwandlung des Turbinenbohrers dargestellt. Die Laufbahnen 40, 41 der Kugeln 39 sind auf Ringen 48 und 49 angeordnet. Dabei dient der Ring 48 als Verlängerung des Stators 47 und der Ring 49 als Verlängerung des Rotors 44. Das Anfügen der Ringe erleichtert die Herstellung.

Zwecks Vergrößerung der Kraft, mit der Kugeln 39 an Laufbahnen 40 und 41 gepreßt werden, zwischen einer Nabe 42 eines Käfigs 43 und einem Rotor 44 auf einer Welle 45 ein Dichtungsring 46 angeordnet, ist der einen Quadratquerschnitt aufweist und aus elastischem Werkstoff, z. B. aus Gummi, ausgeführt ist. Der Dichtungsring 46 sitzt etwas gespannt auf der Welle und weist an seiner Stirnfläche Kanäle zur Schmierung und eben hiermit zur Verringerung der Reibkraft zwischen diesem und dem Rotor 44 auf. Dabei wird auf den Rotor 44 eine zusätzliche hydraulische Axialkraft übertragen, die der Fläche des Dichtungsringes 46, multipliziert mit der Summe der Druckgefälle am Stator 47, an den Kugeln 39 und am Lenker 43 gleich ist, wodurch auch der Betrieb des Reibungsreduziergetriebes ohne Durchgleiten bei Schwingungen, die im Verlauf der Bohrung von Hartgestein auftreten, gewährleistet wird.

In Fig. 8 ist eine Ausführungsabwandlung des Turbinenbohrers dargestellt, bei der zur Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes eine Nabe 50 eines Käfigs 51 durch eine Kupplung 53 mit einem Rotor 52 einer tieferliegenden Stufe 56 verbunden ist. In diesem Fall wird das Reibungsreduziergetriebe zweistufig, bei dem als zweite Stufe des Getriebes 54 das Getriebe 55 der tieferliegenden Stufe 56 der Turbine dient. Eine Nabe 57 eines Lenkers 58 an der tieferliegenden Turbinenstufe 56 ist durch einen Keil 59 mit der Welle 1 verbunden. Die zweistufige Ausführung des Getriebes 54 ermöglicht es, das Ubersetzunsverhältnis des Getriebes quadratisch zu erhöhen. Bei einem Übersetzungsverhältnis der einen Stufe des Getriebes gleich 3 beträgt das Übersetzungsverhältnis eines zweistufigen Getriebes 9. Durch diese technische Lösung können mit Hilfe des Getriebes Bohrbetriebsweisen am Meißel eingehalten werden, die für das Rotarybohrverfahren kennzeichnend sind.

In Fig. 9 und 10 sind zwei Ausführungsabwandlungen des Turbinenbohrers dargestellt, bei denen als Statorverlängerung dienende Ringe 60 an Statoren 61 und als Rotorverlängerung dienende Ringe 62 an Rotoren 63 und ein Käfig 64 mit Kugeln 65 außerhalb einer Turbine 66 des Turbinenbohrers angeordnet sind. Eine solche technische Lösung ermöglicht es, den Wirkungsgrad des Turbinenbohrers dank Verringerung der Leckverluste zwischen den Schaufelkränzen und Erhöhung des hydraulischen Wirkungsgrades der Turbine zu erhöhen und die Bauart des Turbinenbohrers zu vereinfachen.

Der in F i g. 9 dargestellte Turbinenbohrer ist mit einer Laufwelle 67 ausgeführt. In diesem Fall ist es leichter, die Ringe 60 der Statoren 61, Ringe 62 der Rotoren 63 und die Käfige 64 mit den Kugeln 65 unter der Turbine 66 des Turbinenbohrers anzuordnen. Die Statoren 61 und die Statorringe 60 werden am Gehäuse 3 befestigt, das durch ein Gewinde 68 mit dem nicht rotierenden Bohrgestänge verbunden wird. Die Rotoren 63 und Rotorringe 62 werden an der Welle 67 befestigt. Der Käfig 64 des Getriebes 69 ist als ein Rohr mit Öffnungen 70 zum Unterbringen der Kugeln 65 ausgeführt und weist im Unterteil eine Kupplung 71 auf. Die Kupplung 71 dient zum Anschluß des Käfigs 64 an eine Welle 72, die in einer Lagerungsbaugruppe 73 sitzt, welche in diesem Fall unter dem Turbinenbohrer montiert wird, und zur Übertragung des Drehmomentes auf den Meißel 8.

Der Betrieb des Turbinenbohrers dieser Bauart ist ähnlich demjenigen des Turbinenbohrers, bei dem die Rotor- und Statorringe und die Käfige mit Kugeln in jeder Turbinenstufe angeordnet sind (s. Fig. 7).

Die Bauart des in Fig. 10 dargestellten Turbinenbohrers ist mit einem umlaufenden Gehäuse 3 ausgestattet. Ein Käfig 74 mit den Kugeln 65, die Ringe 60 der Statoren 61 und die Ringe 62 der Statoren 63 sind über der Turbine 66 des Turbinenbohrers angeordnet. Die Ringe 60 der Statoren 61 und Ringe 62 der Rotoren 63 sind im Gehäuse 3 bzw. auf der Welle 67 mit den Statoren und Rotoren zusammen befestigt. Der Käfig 74 des Getriebes 75 ist als Rohr mit Öffnung zum Unterbringen der Kugeln 65 ausgeführt und weist im oberen eingeengten Teil eine Kupplung 71 auf. Die Kupplung 71 dient zum Anschluß über die Welle 72 der Lagerungsbaugruppe 73, die bei dieser Bauart über dem Turbinenbohrer mit dem nicht rotierenden Bohrgestänge verbunden wird. Der Meißel 8 ist durch das Übergangsstück 24 mit dem Unterteil des Gehäuses 3 gekoppelt. Der Betrieb des Turbinenbohrers dieser Bauart ist ähnlich demjenigen des in Fig. 5 dargestellten Turbinenbohrers.

Die Gleichmäßigkeit der Belastung von Kugeln 65 an den Getrieben 69 und 75 der in Fig. 9, 10 dargestellten Turbinenbohrer wird durch die Genauigkeit der Fertigung der Ringe 62 des Rotors 63, der Käfige 64 und 74 und durch nachfolgendes Einlaufen dieser mit den Kugeln 65 zusammengebauten Teile erreicht. Die Ringe 60 des Ständers 61, Ringe 62 des Rotors 63 und der Käfig 64 mit den Kugeln 65 können auch in einem separaten Gehäuse angeordnet werden.

In Fig. U ist noch eine Abwandlung der Turbinenbohrerausführung dargestellt. Hier ist die Laufbahn 76 des Ringes 77 an einem Ständer 78 kegelförmig ausgeführt, wodurch eine Einfachheit der Herstellung sowie eine Beständigkeit der Berührungs-

reibkräfte beim Verschleiß der Kugeln 11 erreicht wird; die Laufbahn 16 des Rotors 79 aber weist eine konkave Form auf.

Eine Verringerung des Kugelverschleißes wird vor allem durch das Nichtauftreten von Rutschen der Kugeln auf den Laufbahnen bestimmt. Eine Verringerung des Rutschens der Kugeln kann insbesondere durch Vergrößerung der Preßkraft der Kugeln an die Laufbahnen erreicht werden. Eines der Verfahren zur Vergrößerung dieser Kraft besteht in der Übertragung auf den Rotor der hydraulischen Axialbeanspruchung, die beim Betriebsablauf am Stator entsteht. Dazu wird der Stator 78 als zusammengesetztes Stück ausgeführt. Schaufeln 80 des Stators

78 sind getrennt von einer Statornabe 81 ausgeführt und mit der letzteren durch einen Keil 82 verbunden und stützen sich gegen den Rotor 79 über ein Gummistück 83 ab, das an der Stirnfläche des Rotors

79 angeordnet ist. Jedoch bestünde die beste technische Lösung in einer Ausführung, bei der die Preßkraft der Wälzkörper mit der Änderung des Drehmomentes am Meißel automatisch geregelt wird. Eine solche Lösung ist möglich, falls die Schaufeln des Stators und Rotors in propellerförmiger Gestalt ausgeführt sind.

In Fig. 12 ist die Abhängigkeit des Momentenwertes M_(n) und Druckabfalls P_(n) von der Drehzahl («) dargestellt. Aus diesem Schaubild folgt, daß bei der Propellerturbine mit dem Anwachsen des Drehmomentes auch der Druckabfall an der Turbine ansteigt, d. h., auch die Preßkraft der Kugeln an die Laufbahnen nimmt zu. Es ist offensichtlich, daß durch die automatische Änderung der Kugelpreßkraft in Abhängigkeit von der Änderung der Meißelbetriebsweise der Verschleiß der Kugeln und Laufbahnen in erheblichem Maße verringert wird.

Die Anwendung der erwähnten erfindungsgemäßen Lösungen ermöglichte es, eine einfache kompakte Bauart des Turbinenbohrers mit einem Meißeldrehzahlminderer zu entwickeln, der außer den Käfigen mit Kugeln aus den Hauptbauteilen des Turbinenbohrers — Stator, Rotor und Welle — besteht und bei dem die Belastungen in günstigster Weise bis zum Minimum vermindert und gleichmäßig verteilt sind. Dadurch wird eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit des Getriebes, das direkt in der Spülflüssigkeit läuft, erreicht.

Mit Hilfe erfindungsgemäß ausgeführter 6V₂" und 7¹/," großer Turbinenbohrer wurden unter verschiedenen geologischen Verhältnissen Förderbohrungen niedergebracht. In allen Anwendungsbereichen der Erfindung wurde eine mehr als zweifache Vergrößerung des Meißelfortschrittes erzielt; das Reparaturintervall des Turbinenbohrers aber wurde im Vergleich mit den üblichen Turbinenbohrern um 50 bis 80 °/o verlängert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Turbinenbohrer zur Niederbringung von Bohrlöchern mit einem Gehäuse einschließlich in diesem befestigten Statoren, deren Schaufeln Leitkanäle für Spülflüssigkeit bilden, mit Rotoren, deren Schaufeln eine in bezug auf die Statorschaufeln entgegengesetzte Neigung aufweisen, mit einer in einer Wälzlagerung angeordneten Welle sowie mit einem Getriebe zur Verminderung der Meißeldrehzahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe zur Verminderung der Drehzahl des Meißels (8) als Reibungsreduziergetriebe (9) ausgeführt ist, bei dem die Rotoren (5) als Innenrad und die Statoren (4) als Außenrad vorgesehen sind, wobei zwischen den Statoren (4) und den Rotoren (5) in einem Käfig (10) des Getriebes (9) Wälzkörper (11) angeordnet sind, die zum Rollen beim Lauf des Rotors (5) infolge Einwirkung von Berührungsreibkräften ausgebildet sind, und wobei außer dem Rotor (5) mindestens die Welle (1) oder der Stator (4) rotierbar sind.

2. Turbinenbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) des Turbinenbohrers starr mit dem feststehenden Bohrgestänge verbunden ist sowie die Welle (1) und der Rotor (5) in bezug aufeinander drehbar sind.

3. Turbinenbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) starr mit dem feststehenden Bohrgestänge verbunden ist sowie der Stator (25) und Rotor (26) in bezug aufeinander drehbar sind.

4. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß je einer der Käfige (10) mit Wälzkörpern (11) in jeder Stufe (6) der Turbine (7) angeordnet ist.

5. Turbinenbohrer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (10) mit den Wälzkörpern (11) unter den Schaufeln (14) des Rotors (5) jeder Stufe (6) angeordnet ist.

6. Turbinenbohrer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (31) mit den Wälzkörpern (32) zwischen den Schaufeln (33 und 35) des Stators (34) bzw. des Rotors (36) und der Welle (37) angeordnet ist.

7. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (10) zwecks Übertragen des Moments eine Nabe (18 bzw. 57) aufweist, die mindestens mit der Welle (1) oder dem Rotor (52) der tieferliegenden Turbinenstufe (56) verbunden ist.

8. Turbinenbohrer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (18) eines jeden Käfigs (10) mit der Welle (1) verbunden ist, wobei die Nabe (18) und die Welle (1) gegenseitig axial verschiebbar sind.

9. Turbinenbohrer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes (54) mindestens jede zweite Nabe (57) des Käfigs (58) mit dem Rotor (52) der tieferliegenden Stufe (56) verbunden ist.

10. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüehe 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Rollender Wälzkörper (11) der Rotor (5) und der Stator (4) mit Laufbahnen (16 bzw. 15) versehen sind, wobei die Laufbahn (16) des Rotors (5) höher als die Laufbahn (15) des Stators (4) liegt.

11. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Nabe (42) des Käfigs (43) und dem Rotor (44) ein Dichtungsring (46) angeordnet ist, der zur Vergrößerung der Preßkraft der Wälzkörper (39) an die Laufbahnen (41, 40) des Rotors (44) bzw. des Stators (47) ausgebildet ist.

12. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (44) und der Stator (47) Ringe (49 bzw. 48) aufweisen, die in der Turbinenlängsachse angeordnet und als Laufbahnen (41 bzw. 40) zum Rollen der Wälzkörper (39) ausgebildet sind.

13. Turbinenbohrer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (62, 60) des Rotors (63) bzw. des Stators (61) und der Käfig (64) mit den Wälzkörpem (65) unter der Turbine (66) des Turbinenbohrers angeordnet sind.

14. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüche 1, 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (62, 60) des Rotors (63) bzw. des Stators (61) und der Käfig (74) mit den Wälzkörpem (65) über der Turbine (66) des Turbinenbohrers angeordnet sind.

15. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahnen (16, 15) des Rotors (5) bzw. des Stators (4) konkav ausgebildet sind.

16. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahnen (76) des Ständers (78) kegelförmig ausgeführt sind.

17. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Preßkraft, mit welcher die Wälzkörper (11) an die Laufbahnen (16, 76) des Rotors (79) bzw. des Stators (78) angepreßt werden, letzterer axial verschiebbar in bezug auf die Welle (1) des Turbinenbohrers ausgeführt ist.

18. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer optimalen Reibkraft zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen des Stators und des Rotors deren Schaufeln in Propellergestalt ausgeführt sind.

19. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anordnung der Wälzkörper (11) der Käfig (10) Zellen (21) aufweist, in denen mit elastischem Werkstoff verkleidete Hülsen (22) abnehmbar eingebaut sind.

20. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper als Kugeln (11) ausgeführt sind.