DE2141866B2 - Turbinenbohrer - Google Patents
TurbinenbohrerInfo
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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.
Claims (20)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712141866 DE2141866B2 (de) | 1971-08-20 | 1971-08-20 | Turbinenbohrer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712141866 DE2141866B2 (de) | 1971-08-20 | 1971-08-20 | Turbinenbohrer |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2141866A1 DE2141866A1 (de) | 1973-03-01 |
DE2141866B2 true DE2141866B2 (de) | 1974-03-14 |
DE2141866C3 DE2141866C3 (de) | 1974-10-24 |
Family
ID=5817345
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19712141866 Granted DE2141866B2 (de) | 1971-08-20 | 1971-08-20 | Turbinenbohrer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2141866B2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3936730A1 (de) * | 1989-11-04 | 1991-05-08 | Gerhard Bihler | Getriebe fuer meisseldirektantriebe |
-
1971
- 1971-08-20 DE DE19712141866 patent/DE2141866B2/de active Granted
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3936730A1 (de) * | 1989-11-04 | 1991-05-08 | Gerhard Bihler | Getriebe fuer meisseldirektantriebe |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2141866A1 (de) | 1973-03-01 |
DE2141866C3 (de) | 1974-10-24 |
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Legal Events
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |