DE2457610C3

DE2457610C3 - Leit- und Laufschaufeln für Tiefloch-Bohrturbinen

Info

Publication number: DE2457610C3
Application number: DE19742457610
Authority: DE
Inventors: Moisej T. Gusman; Igor L. Konstantinov; Irina I. Kusnetsova; Boris G. Ljubimov; Boris D. Malkin; Gelij M. Nikitin
Original assignee: VSESOJUZNYJ NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ INSTITUT BUROVOJ TECHNIKI MOSKAU
Current assignee: VSESOJUZNYJ NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ INSTITUT BUROVOJ TECHNIKI MOSKAU
Priority date: 1974-12-05
Filing date: 1974-12-05
Publication date: 1978-03-02
Also published as: DE2457610A1; DE2457610B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf hydraulische Tiefloch-Bohrturbinen zum Bohren von Bohrlöchern bei der Exploration oder zur Förderung von Erdöl, Gas und anderen Bodenschätzen. Sie betrifft im einzelnen Leit- und Laufschaufeln für Tiefloch-Bohrturbinen, bei denen die I.citschauteln an einem Stator und die Laufschaufeln an einer Welle, die axial in einem Gehäuse gelagert ist, in radialen Schaufelgiitern angeordnet sind, wobei die einzelnen Schaufeln mit wechselnder Krümmung und Wandstärke versehen und die Laufschaufeln entgegengesetzt zu den Leitschaufeln gestellt sind. Die vorliegende Erfindung kann in Bohrturbinen mit Axiallagerung, die in einer der Sektionen der Bohrturbine montiert wird oder die in einer gesonderten Baueinheit, z. B. einer Spindel, angeordnet ist, oder in Bohrturbinen anderer Ausführungsarten verwendet werden.

In letzter Zeit werden in der Bohrpraxis immer mehr Diamantbohrmeißel eingesetzt, die am wirksamsten bei Drehzahlen arbeiten, die die bei Rollenmeißeln üblichen Drehzahlen übersteigen.

Es sind Leit- und Laufschaufeln für Tiefloch-Bohrturbinen bekannt, bei denen die Leitschaufeln an einem Stator und die Laufschaufeln an einer Welle, die axial in einem Gehäuse gelagert ist, in radialen Schaufelgittern angeordnet sind, wobei die einzelnen Schaufeln mit wechselnder Krümmung und Wandstärke versehen und die Laufschaufeln entgegengesetzt zu den Leitschaufeln gestellt sind (siehe z. B. die DT-OS 21 19 072).

Beim Betrieb einer mit derai ligen Schaufeln ausgerüsteten Bohrturbine mit Diamantbohrmeißeln dreht sich die Welle mit im Vergleich zu üblichen Bohrturbinen erhöhten Drehgeschwindigkeiten. Da in Bohrturbinen die Drehgeschwindigkeit nicht geregelt wird, kann sich der Anströmwinkel an den Schaufeln während des Bohrbetriebes in weiten Grenzen verändern, wobei er seine größten Werte im Bereich der Extrembetriebszustände (Brems- oder Anfahrvorgang) erreicht. Die ^ Umströmung der Schaufelprofilgitter erfolgt dabei — im Vergleich zum herkömmlichen Turbinenbohren — unter vergrößerten Angriffswinkeln, wodurch erhebliche Energieverluste entstehen. Praktisch wirkt sich diese Erscheinung in einem starken Ansteigen des Druckgefälies in der Bohrturbine beim Abbremsen, wenn eine Turbine mit nur gering gekrümmten Schaufelprofilen Verwendung findet, oder beim Anfahren aus, falls die Turbine stark gekrümmte Schaufelprofile aufweist. Die große Änderung des Druckgefälles in

■ 5 der Bohrturbine verursacht ernsthafte Schwierigkeiten während des Betriebs, und zwar den schnellen Ausfall von Sicherheitsmembranen bei Spülpumpen usw. Darüber hinaus weisen die stark gekrümmten Schaufelprofile einen verminderten Wirkungsgrad auf.

Bei Verwendung von Schaufelgittern mit axialem Eintritt des Flüssigkcitsstromes und verhältnismäßig dünnen Schaufeleintrittskanten tritt eine Strömungsablösung von der Schaufeloberfläche und dadurch wiederum ein wesentlicher Druckgefälleanstieg beim Abbremsen auf, der ebenfalls den Betrieb der Bohrturbine erschwert. Werden Schaufeln mit verstärkten Eintrittskanten verwendet, so verringern sich diese Ablösungserscheinungen zusammen mit dem Anstieg des Druckgefälles; statt dessen tritt jedoch eine wesentliche Verringerung des Wirkungsgrades der Bohrturbine wegen des starken Ansteigens der Profilenergievcrluste auf, und demzufolge verschlechtern sich die energietechnischen Kennwerte, in erster Linie die Größe des Drehmomentes. Beim Turbinenbohren bestimmt aber gerade dieser Kennwert die durch die Bohrturbine aufzunehmende Belastung, d. h. die Möglichkeit, die notwendigen Betriebszustände zu verwirklichen.

Versuche, die bekannten Bohrturbinen zum Bohren mit Diaiiiantbohrnieißcln zu verwenden, erbrachten keinen genügenden Nutzeffekt, entweder wegen einer starken Zunahme des Flüssigkeitsdruckes in der Druckleitung der Pumpenanlage beim Abbremsen der Bohrturbinenwelle oder wegen eines geringen Wirkungsgrades des Antriebs, wodurch der Momentenverlauf in der Bohrturbine verschlechtert wird.

In den Ausführungen von Bohrturbinen mit den bekannten Leit- und Laufschaufeln können die Axiallager gleichzeitig als Dichtung dienen, die die Verluste an

•^so Spülflüssigkeit am WellL-naustritt der Bohrturbine einschränkt. Solange in diesem Fall der Hauptflüssigkeitsstrom durch die Kanäle in einer Kupplungshälfte oder die Kanäle der Welle in einen mittleren Wellenkanal geleitet wird, entsteht im Innenraum

^ss zwischen der Welle und dem Gehäuse, in dem diese Axiallager angeordnet sind, eine Zone verringerter Strömungsgeschwindigkeiten. In diesem Falle können die Schwerstfraktionen aus der Spülflüssigkeit ausscheiden und in die Lager eindringen. Da diese Lager der

^(l() Bohrturbine vor einem Abrieb in keiner Weise geschützt sind, werden sie vorzeitig abgenutzt. Durch den Ausfall der Lager der Bohrturbine muß der Meißel aus der Bohrung frühzeitig herausgeholt und ausgebaut werden. Falls Diamantbohrmeißel eingesetzt werden, so

^llS muß bei jedem zusätzlichen Meißclausbringen ein Herausfallen von Diamanten in Kauf genommen werden, wodurch die Betriebsdauer des Bohrmeißels und demzufolge auch die wirtschaftliche Effektivität des

Bohrvorganges sinken. Daher hat die Aufgabe der Verlängerung der Lebensdauer der Axiallager beim Turbinenbohren mit Diamantmeißeln erstrangige Bedeutung.

Zu den Nachteilen der bekannten Ausführung einer Bohrturbine zählen auch die Kompliziertheit und ungenügende Sicherheit der Befestigung der Einzelteile auf den Wellen.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Leit- und Laufschaufeln für Tiefloch-Bohrturbinen ^u entwickeln, die einen hohen Wirkungsgrad der Bohrturbine ergeben, wobei ein erhöhtes Drehmoment erzielbar ist und wobei sich ein Druckgefälle einstellt, das sich in einem einen normalen Betrieb der Bohrturbine zulassenden Bereich ändert.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei Leit- und Laufschaufeln für Tiefloch-Bohrturbinen der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Umlenkwinkel θ zwischen den Tangenten an die Profilmittellinie der Schaufel in den Schnittpunkten der Mittellinie mit der Ein- und Austriitskante der Schaufel nach der Beziehung θ = 180° -(4,5 bis 7,0)«,. wobei <xi der Winkel zwischen der Senkrechten zur Achse 0-0 des Schaufelgitters und Or Tangente an die Profilmittellinie der Schaufel an deren Eintrittskante, zum konkaven Teil des Profils der Schaufel hin gemessen, ist ind der Winkel <\2 zwischen der Senkrechten zur Achse 0-0 des Schaufelgitters und der Tangente an die Profilmittellinie der Schaufel an deren Austrittskante, zum konvexen Teil des Schaufelprofils hin gemessen, nach der Beziehung X₂ - (3,5 bis 6,0) a_t gewählt sind, und daß das Verhältnis der größten Stärke <5 des Profils der Schaufel zur Länge der Sehne / zwischen deren Ein- und Austrittskanten//= 0.09 bis 0.19 ist.

Die vorgeschlagenen Verhältnisse der geometrischen Kenngrößen des Schaufelprofils sind optimale Werte, die einerseits jegliche Möglichkeit eines starken Anwachsens des Druckgefälles beim Abbremsen des Turbobohren vermeiden lassen und andererseits einen hohen Wirkungsgrad der Turbine im Betriebszustand zu erreichen ermöglichen.

Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung ist eine Bohrturbine geschaffen, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad, ein vergrößertes Drehmoment und eingeschränkte Veränderungsmöglichkeit des Druckgefälles bei Veränderung des Betriebszustandts auszeichnet.

Nachstehend wird die Erfindung durch Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Turbinenbohrer mit den erfindungsgeiriäßen Leit- und Laufschaufeln im Längsschnitt in schematischer Darstellung,

F i g. 2 die Einzelheit A der F i g. 1 (Turbinenstufe im Schnitt),

F i g. 3 die Abwicklung der Leitschaufeln des Stators und der Laufschaufeln des Läufers einer Turbinenstufe auf der Ebene des Kreisschnittes,

Fig. 4 die Einzelheit öder F i g. 1 (Separator im Längsschnitt),

F i g. 5 die Abwicklung auf der Ebene des Kreisschnittes durch die Leitschaufeln des Stators und Laufschaufeln des Läufers und die Strömungsgeschwindigkeitsrichtungen beim gebremsten Betriebszustand,

Fi g. 6 die Abwicklung auf der Ebene des Kreisschnittes durch die Leitschaufeln des Stators und Laufschaufeln des Läufers und die Strömungsgeschwindigkeitsrichtungen beim berechneten Betriebszustand,

Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VlI der Fig.3.

Die in F i g. 1 bis 4 wiedergegebene Bohrturbine weist in ihrem oberen Teil, mit welchem sie an das untere Ende einer Bohrrohrkolonne zur Aufnahme der durch die Bohrrohre im Zwangsumlauf gepumpten Spülflüssigkeit angeschlossen wird, eine Turbine »a« auf. die aus

ίο Stufen »b« besteht, von denen jede einen in einem Gehäuse 1 befestigten Stator 2 mit Leitschaufeln 3 und einen auf einer Welle 4 festsitzenden Läufer 5 mit Laufschaufeln 6 besitzt.

Die Leitschaufeln 3 des Stators, zu einem kreisförmigen Leitschaufelgitter »c« zusammengestellt, bilden LeUkanäle »d«, durch welche Spülflüssigkeit strömt. Die Profile der Leitschaufeln 3 sind derart ausgeführt, daß der Umlenkwinkel θ zwischen den Tangenten an die Profilmittellinie der Schaufel 3 in den Schnittpunkten der Mittellinie mit der Ein- und Austrittskante der Schaufel nach der Beziehung θ = 180° -(4,5 bis 7,0) λ, und der Winkel 1x2 zwischen der Senkrechten zur Achse 0-0 des Schaufelgitters »c« und der Tangente an die Profilmittellinie der Schaufel an deren Austrittskante, zum konvexen Teil des Schaufelprofils hin gemessen, nach der Beziehung «2 = (3,5 bis 6,0) tx\ gewählt sind, wobei αϊ der Winkel /wischen der Senkrechten zur Achse 0-0 des Schaufelgitters »c« und der Tangente an die Profilmittellinie der Schaufel an deren Eintrittskante, zum konkaven Teil des Profils der Schaufel 3 hin gemessen, ist. Das Verhältnis der größten Stärke »Λ« des Schaufelprofils zur Länge der Sehne »1« zwischen deren Ein- und Austrittskante entspricht der Beziehung öl I = 0,09 bis 0,19.

Die Laufschaufeln 6 des Läufers 5 bilden ebenfalls ein kreisförmiges Laufschaufelgitter »e« und sind in Übereinstimmung mit den Beziehungen zwischen den geometrischen Größen θ = 180° -(4,5 bis 7,0) λ, und i\, = (3,5-6,0) «ι sowie dlI = 0,09 bis 0,19 ausgebildet; sie sind zwecks Veränderung der Strömungsrichtung der Spülflüssigkeit in den Leitschaufeln 3 des Stators 2 in entgegengesetzter Richtung geneigt gestellt, wodurch der Läufer 5 sich bezüglich des Stators 2 umdreht und das Drehmoment auf die Welle 4 überträgt.

Die Leitschaufeln 3 des Stators 2 und Laufschaufeln 6 des Läufers 5 bilden die Stufen »b« der Turbine »a« der Bohrturbine, in welcher die fortschreitende Strömung der Spülflüssigkeit in eine Drehbewegung der Läufer umgewandelt wird.

w Am Unterteil der Bohrturbine ist am Gehäuse 1 eine sogenannte Spindel »f« angeschlossen, die aus einem Spindelgehäuse 7 und aus einer mit einem gesteinsabtragenden Werkzeug verbindbaren Spindelwelle 8 besteht, zwischen denen Axiallager »g« und Radiallager 9 eingebaut sind, von denen eins in F i g. 4 dargestellt ist.

Im Spindeloberteil ist ein Separator »h« eingesetzt, der in Form abgestufter Hülsen 10,11 ausgeführt ist. Die eine Hülse 10 ist auf der Spindelwelle starr befestigt und bildet mit ihr einen Ringraum »i«. in den mit Spiel »j« ein

<>» Stück der Hülse U ragt, die ihrerseits im Spindelgehäuse starr befestigt ist. Der genannte Ringraum »/«ist über die Kanäle »k« in der Hülse 10 und den Kanal »m« in der Spindelwelle 8 mit dem Mittelkanal »n« der Spindelwelle verbunden.

⁽¹5 Die Befestigung der Einzelteile auf der Welle 4 erfolgt mit Hilfe einer Kupplungshälfte 12 mit Kegelgewinde 13 und innerer Druckfläche 14, während sie auf der SDindelwelle 8 mittels einer KuDDluneshälfte 15 mil

Kegelgewinde 16 und innerer Druckfläche 17 befestigt sind.

Bei abgebremster Bohrturbinenwelle trifft die Spülflüssigkeit, die aus den Leitkanälen »d« (Fig. 5) des Stators herausströmt, auf die Laufschaufeln 6 des <; Läufers unter einem Winkel ß\ = 1x2 auf. Die Gleichheit der Winkel ß\ und «2 erklärt sich dadurch, daß bei stillstehendem Läufer die absolute Strömungsgeschwindigkeit C\ und die relative W] am Eintritt der Spülflüssigkeit in die Laufschaufeln des Läufers übereinstimmen. Dieser Flüssigkeitseintrittswinkel entspricht einem Stoßwinkel von γ = β] -<xi = <X2-«i bzw. unter Berücksichtigung der Beziehung 0.2 — (3,5 bis 6) «ι, die die Stoßwinkelwerte im Bremsbetriebszustand begrenzt, dem Winkel γ — (0,71 bis 0,83) *2- ι s

Diese Begrenzung schränkt die Möglichkeit eines Druckgefälleanstiegs in der Bohrturbine bei dessen Abbremsung im Vergleich zum Druckgefälle, das bei einem Betriebszustand, der der Hälfte der Drehgeschwindigkeit beim Anfahren entspricht, stark ein. In diesem Fall übertrifft der Anstieg des Druckgefälles praktisch 20% nicht.

Mit der Zunahme der Drehgeschwindigkeit »1>« (F i g. 6) des Läufers 5 (F i g. 2) und mit Annäherung an den berechneten Betriebszustand trifft die Spülflüssig- 2s keit, die aus den Leitkanälen »d« des Stators herausströmt, in Relativbewegung unter dem vom Winkel 1x2, der die Strömungsrichtung in absoluter Bewegung kennzeichnet, abweichenden Einlrittswinkel ß\ auf die Laufschaufeln 6 des Läufers. Auf diese Weise τ,ο unterscheiden sich in diesem Falle Richtung und Größe der Geschwindigkeiten Q und W]. Je weiter die Bohrturbine sich dem berechneten Betriebszustand nähen, desto kleiner werden die Winkelwerte ß\ und γ. die beim Berechnungsarbeitszusland ß]—ct] und γ = 0 sind. Beim Stoßwinkel )' = 0 wird die Umströmung der Schaufel praktisch stoßfrei, was von einer Verkleinerung des Druckgefälles begleitet wird, das an Stoßverlusten verbraucht wird. Da diese Stoßverluste beim Berechnungsbetrieb vernachlässigbar gering sind, so ergibt sich die Größe der Energieverluste hauptsächlich aus der Krümmungsstärke des Schaufclprofils, die durch den Umlenkwinkel θ gekennzeichnet ist, und aus dessen relativer Stärken//.

Die Beziehung B= 180"-(4,5 bis 7,0) λι unter Berücksichtigung der Beziehung Λ2 = (3,5 bis 6,0) <\i als Θ= 180" (1,17 bis 1,29) (X₂ dargestellt werden, woraus folgt, daß diese Gleichung bei vorgegebenen Werten von Λ2 die Profilkrümmung einschränkt. Die relative Schaufelprofilstärke (V/wird durch die Beziehung 6/1 = 0,9 bis 0,19 begrenzt. Diese verhältnismäßig kleine Profilstärke verursacht eine Verminderung des Strömungswiderstandes beim Bewegen der Spülflüssigkeit durch die Schaufelprofilgiiter durch Herabsetzung der Energieverluste beim Umströmen der Profile. Auf diese Weise sind die Profilkrümmung und die relative Schaufelprofilstärke durch die genannten Beziehungen wesentlich eingeschränkt, was die Möglichkeit bietet, einen hohen Wirkungsgrad beim Berechnungsbetrieb zu erreichen.

Aus der Turbine strömt die Spülflüssigkeit in die Spindel »f« weiter, in deren Oberteil über der Axiallagerung »g« der Separator »h« liegt. Bei einer starken Strömungsdrehung während des Flüssigkeitsdurchgangs im Ringraum »i« scheiden sich die schwersten Fraktionen der Spülflüssigkeit in diesem Ringraum ab und treten dann durch die Kanäle »k«ur\a »m« in den Mittelkanal »n« der Spindelwelle über, während die gereinigte Spülflüssigkeil über den Spalt »p« im Radiallager 9 in die Axiallagerung »g« der Bohrturbine strömt.

Die Befestigung der Stufen »b« der Turbine »a« und der Einzelteile der Axiallagerung »g« und der Radiallager 9 auf der Welle 4 mit Hilfe der Kupplungshälfte 12 mit Kegelgewinde 13 und innerer Stirnfläche 14 bietet die Möglichkeit, den Aufbau der Befestigungseinheit der Einzelteile auf der Welle zu vereinfachen und deren Betriebssicherheit zu steigern.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Leit- und Laufschaufeln für Tiefloch-Bohriurbinen, bei denen die Leitschaufeln an einem Stator und die Laufschaufeln an einer Welle, die axial in einem Gehäuse gelagert ist, in radialen Schaufelgittern angeordnet sind, wobei die einzelnen Schaufeln mit wechselnder Krümmung und Wandstärke versehen und die Laufschaufeln entgegengesetzt zu den Leitschaufeln gestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkwinkel (Θ) zwischen den Tangenten an die Profilmittellinie der Schaufel (3; 6) in den Schnittpunkten der Mittellinie mit der Ein- und Austrittskante der Schaufel nach der Beziehung θ = 180° -(4,5 bis 7,0) «ι, wobei <xi der Winkel zwischen der Senkrechten zur Achse (0-0) des Schaufolgitters (c; e) und aer Tangente an die Profilmittellinie der Schaufel (3; 6) an deren Einlrittskante, zum konkaven Teil des Profils der Schaufel (3; 6) hin gemessen, ist und der Winkel (a.2) zwischen der Senkrechten zur Achse (0-0) des Schaufelgitters (c: e) und der Tangente an die Profilmittellinie der Schaufel (3; 6) an deren Austrittskante, zum konvexe:· Teil des Schaufelprofils hin gemessen, nach der Beziehung ,\> = (3,5 bis 6,0) «ι gewählt sind und daß das Verhältnis der größten Stärke (ό) des Profils der Schaufel (3; 6) zur Länge der Sehne (I) zwischen deren Ein- und Austrittskante 611 = 0,09 bis 0,19 ist.