DE2527237C3 - Axiallagerung für hydraulische Bohrturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Axiallagerung für hydraulische Bohrturbinen, die im Motorgehäuse der Turbine angeordnet ist, ein Axialwälzlager, dessen Wälzkörper zwischen mit der Welle bzw. dem Gehäuse starr verbundenen Lagerringen sitzen und zur Aufnahme wechselnder Axialbelastungen vorgesehen sind, und mindestens eine an der oberen Stirnseite des Axiallagers angeordnete Stimdichlung aufweist, die aus mindestens zwei Scheibenpaaren gebildet ist, deren einzelne Scheiben einander überdecken und jeweils dem Stator bzw. dem Rotor zugeordnet sind, wobei die einander zugewandten Flachseiten aller Scheiben mit Reiboberflächen versehen sind, bei Axialbelastung des Lagers in einer Richtung mindestens zwei und in der anderen Richtung mindestens eine Reibfläche zwischen den einzelnen Scheiben gebildet sind und jeweils die eine Scheibe jeden Paares starr mit den einen Lagerringen verbunden ist.

Es ist eine Axiallagerung für hydraulische Bohrturbinen bekannt, welche ein mehrreihiges Axialwälzlager mit rotierenden Innenringen und feststehenden Außenringen aufweist. An der oberen Stirnseite des Axiallagers ist eine Gleitringdichtung mit einer feststehenden Scheibe, die gemeinsam mit dem Satz von Außenringen des Lagers starr im Gehäuse der hydraulischen Turbine befestigt ist und mit einer rotierenden Scheibe versehen ist, die auf der Welle des Turbinenbohrers in bezug auf die Welle axial verschiebbar sitzt und unter der Einwirkung der hydraulischen Belastung an die feststehende Scheibe der Gleitringdichtung angepreßt wird.

Beim Betrieb mit Spülflüssigkeiten, die eine große Menge von Schleifteilchen (Reibteilchen) enthalten, und bei Benutzung von Meißeln, die bei geringen Druckgefällewerten betrieben werden, welche die Größe der hydraulischen Andruckkraft der rotierenden Scheibe der Gleitringdichtung an die feststehende bestimmen, ergibt sich der Nachteil, daß der Ringspalt zwischen der rotierenden Scheibe und der zylindrischen Oberfläche, auf der sie in Axialrichtung gleitet, durch die in der Spülflüssigkeit enthaltenen Hartteilchen verstopft wird.

Dieser Umstand verhindert eine Axialverschiebung der rotierenden Scheibe und das durch Einwirkung der hydraulischen Belastung bedingte Andrücken dieser Scheibe an die feststehende Scheibe, wodurch dann die Schleifteilchen leicht in den Hohlraum des Axiallagers eindringen können und dadurch einen schnel-'εη Verschleiß desselben verursachen und die Axiallagerung der hydraulischen Bohrturbine beschädigen können.

Wird diese bekannte Axiallagerung für die hydraulische Bohrturbine bei einem Antrieb an der Bohrlochsohle verwendet, der zum Bohren mit Düsenmeißeln unter hohem Druckgefälle eingesetzt wird, so ist die Andruckkraft der rotierenden Scheibe der Gleitringdichtung an die feststehende Scheibe so groß, daß es unmöglich ist, die erforderliche Haltbarkeit der Gleitringdichtung zu gewährleisten.

Eine Anordnung mehrerer hintereinander liegender Gleitringdichtungen gewährleitstet in diesem Falle nicht einen zuverlässigen Schutz des Lagers gegen das Eindringen von Schleifteilchen, da nur als einzige die erste Dichtung unter der Einwirkung des gesamten Druckgefälles im Meißel zur Wirkung gelangt, die zweite und alle nächstfolgenden Gleitringdichtungen jedoch erst nach außer Betriebsetzung der ersten Dichtung nacheinander in Anspruch genommen werden.

Es ist auch eine Bohrturbine für Erdöl- und Gassonden bekannt, (DE-AS 12 35 834), bei der eine zwischen dem Rotor und dem Stator befindliche Gleitringdichtung durch auf der Welle nur freiliegend lagernde Ringe gebildet wird. Eine derartige Anordnung weist jedoch den gleichen Nachteil auf, daß die auf die Dichtungsringe einwirkende axiale Andruckkraft so groß ist, daß die Haltbarkeit der Gleitringe nicht gewährleistet ist.

Es sind auch eine Einrichtung an Bohrturbinen (DE-OS 20 62 561), und eine Dichtungsanordnung für ein Gehäuse eines unterirdisch arbeitenden Motors bekannt (DE-OS 20 30 117), bei denen Paare von Dichtungsringen mit einander übergreifenden Flächen vorgesehen sind, deren einer jedes Paares am Stator und deren jeweils anderer am Rotor befestigt ist, wobei die Art der Lagerung nicht näher bezeichnet ist. Auch eine derartige bekannte Anordnung vermag jedoch keine gute Dichtung bei wechselseitiger Axialbelastung zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Axiallagerung für hydraulische Bohrturbinen zu schaffen, die es ermöglicht, die Bohrturbine vor einem Eindringen von in der Spülflüssigkeit enthaltenen Reibteilchen selbst bei wechselseitiger Axialbelastung wirksam zu schützen, die Lebensdauer der gesamten Anordnung zu verlängern, die Standzeit der hydraulischen Turbine zu vergrößern und die hydraulische Turbine auch wirksam zum Niederbringen von Bohrungen mittels Düsenmeißel verwenden zu können.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die andere Scheibe jedes Scheibenpaares starr mit den anderen Lagerringen verbunden ist.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Axiallagerung für hydraulische Bohrturbinen wird es ermöglicht, diese vor einem Eindringen von in der Spülflüssigkeit enthaltenen Schleifteilchen selbst bei wechselnder Axialbelastung mit Sicherheit zu bewahren, die Wälzlager zu entlasten und somit die Lebensdauer und die Standzeit der gesamten Vorrichtung wesentlich zu verlängern und einen wirksamen Betrieb von Düsen-

meißeln durch die hydraulische Bohrturbine zu gewährleisten.

Die erfindungsgemäße Axiallagerung ergibt beste Wirkungsgrade für hydraulische Turbinen bei Verwendung von Düsenmeißeln, die unter einem hohen Druckgefälle der Spülflüssigkeit (etwa 80 bis 100 at) betrieben werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 Längsschnitt einer hydraulischen Bohrturbine, bei der die erfindungsgemäße Axiallagerung angewandt ist,

F i g. 2 Längsschnitt der erfindungsgemäß ausgeführten Axiallagerung.

In Fig. 1 und 2 ist ein Anwendungsbeispie] der erfindungsgemäß ausgeführten Axiallagerung für eine hydraulische Bohrturbine dargestellt.

Der Bohrer der hydraulischen Bohrturbine enthält an seinem Oberteil die Bohrturbine 1, die aus Stufen besteht, von denen eine jede in Gestalt eines im Motorgehäuse 2 befestigten Ständers 3 ausgeführt ist, dessen Schaufeln Leitkanäle zum Lauf der Spülflüssigkeit bilden, und eines auf der Welle 4 der Bohrturbine befestigten Läufers 5, dessen Schaufeln entgegengesetzt den Schaufeln des Ständers 3 gerichtet sind und somit die Richtung des Flüssigkeitslaufes ändern, wodurch der Läufer 5 in bezug auf den Ständer 3 rotiert und ein Drehmoment der einen Stufe erzeugt.

An beiden Stirnflächen der Bohrturbine 1 sind Radiallagerungen 6 angeordnet, die aus Gummi und Metall gefertigte Radialgleitlager darstellen, djrrch deren in den Gehäusen liegenden (in der Zeichnung nicht angedeuteten) Kanäle die Spülflüssigkeit der Bohrturbine zugeführt wird und aus der Bohrturbine entweicht.

Die Übertragung des Wirkungsdrehmomentes aller Läufer auf die Welle erfolgt durch Andrücken der Läufer an die Wellenstirnfläche 7 durch Aufschrauben der Mutter 9 auf die Welle.

Die Übertragung des Reaktionsdrehmomentes aller Ständer auf das Bohrturbinengehäuse erfolgt durch Andrücken der Ständer an die Wellenstirnfläche 9 durch Einschrauben des Wechselstücks 10 in das Gehäuse 2.

Am Unterteil des Motorgehäuses 2 der Bohrturbine ist durch die Gewindeverbindung 11 eine Spindel 12 befestigt, die das Gehäuse 13 bildet, in dessen Innenraum auf der Welle 14 die Axiallagerung 15 und die an den Stirnflächen der letzteren liegenden radialen Lagerungen 16 angeordnet sind. Die Radiallagerung 16 hat eine Außenbüchse 17, an deren Innenflächen eine Lagerschale 18 aus reibfestem Material (z. B. aus Gummi) befestigt ist, und eine Innenbüchse 19, die beim Betrieb des Turbinenbohrers in der Lagerschale 18 rotiert.

Die Axiallagerung Ii) enthält ein mehrreihiges Axialwälzlager 20 und zwei an den Sitrnflächen des letzteren angeordnete mehrreihige Stirndichtungen 21. Das mehrreihige Axialwälzlager 20 enthält als Wälzkörper Kugeln 22, die zwischen inneren Lagerungen 23 und äußeren Lagerringen 24 sitzen, welche voneinander durch innere Distanzringe 25 bzw. äußere Distanzringe 26 getrennt sind.

Die mehrreihige Stirndichtung 21 enthält mehrere mit Reiboberflächen versehene Reibflächen bildende Scheibenpaare 27, von denen eine jede eine auf der Welle 14 sitzende innere Scheibe 28 sowie eine in dem Spindelgehäuse 13 sitzende äußere Scheibe 29 aufweist. Die inneren und äußeren Scheiben sind voneinander jeweils durch innere Distanzringe 30 bzw. äußere Distanzringe 31 getrennt. Zur Verlängerung der Lebensdauer der Scheiben bei der Stirndichtung sind die Reiboberflächen der inneren Scheibe 28 und der äußeren Scheibe 29 durch Gleittinsätze 28a und 29a (z. B aus Hartlegierungen) armiert.

Die äußeren Lagerringe 24 des Axialwälzlagers und die zwischen diesen Lagerringen sitzenden äußeren Distanzringe 26, die äußeren Scheiben 2* der Stirndiehtung und die zwischen den letzteren sitzenden Distanzringe 31 sind miteinander und mit dem Gehäuse durch Andrücken an die Stirnfläche 32 des Gehäuses 13 verbunden, und zwar durch Einschrauben des Nippels 33.

Die inneren Lagerringe 23 des Axialwälzlagers und die zwischen diesen Lagerringen sitzenden inneren Distanzringe 25, die inneren Scheiben 28 der Sitrndichtung und die zwischen den letzteren sitzenden Distanzringe 30 sind miteinander und mit der Welle 14 durch Andrücken an die Stirnfläche 34 der Welle 14 verbunden, und zwar durch Aufschraubung der Gewindekupplungshälfte 35 auf die Welle 14.

Beim Betrieb der hydraulischen Bohrturbine wird die durch die Spülpumpen getriebene Spülflüssigkeit der Bohrturbine 1 zugeführt und erzeugt auf der Welle 14 ein Drehmoment, das über die auf die Welle 14 geschraubte Kegel-Vielnutkupplungshälfte 36 und über die mit der letzteren in Eingriff stehende Gewindekupplungshälfte 35 auf die Welle 14 übertragen wird, an deren unterem Ende der (in der Zeichnung nicht angedeutete) Meißel angeschraubt ist.

Die Spülflüssigkeit gelangt nach dem Auslauf aus der Bohrturbine in das Innere des Gehäuses 13, in dem der Hauptstrom durch die öffnung 37 in der Gewindekupplungshälfte 35 zum Zentralkanal 38 der Welle 14 geleitet wird, in welchem die Flüssigkeit durch den Meißel zur Bohrlochsohle läuft, wodurch die Spülung der Bohrlochsohle und das Austragen des Bohrkleins erfolgen; ein Teil der Spülflüssigkeit aber wird unter einem Druck, der dem Druckgefälle im Meißel gleich ist, durch den Kanal 39 und durch die Nuten 40 in der Lagerschale 18 der Radiallagerung 16 an die Stirndichtung 21 der Bohrturbinen-Axiallagerung 15 zugeführt.

Während des Betriebs der hydraulischen Bohrturbine, bei dem diese schwebend hängt, wird ihre Axiallagerung durch das Gesamtgewicht der rotierenden Teile der Bohrturbine und durch die hydraulische Belastung, die auf die Welle und auf die an der letzteren sitzenden Läufer einwirkt, beansprucht. Beim Bohrablauf wird diesen von oben abwärts gerichteten Kräften eine axiale Reaktionskraft an der Bohrlochsohle entgegengestellt, die von der Bohrlochsohle aus über den Meißel von unten aufwärts gerichtet ist.

Somit wird die Axiallagerung der Bohrturbine während des Bohrablaufs sowohl durch die von oben abwärts gerichtete Belastung beansprucht, wenn die Gewichtssumme aus den rotierenden Teilen der Bohrturbine und aus der hydraulischen Belastung auf Welle und Läufer die Reaktionskraft an der Bohrlochsohle übertrifft, als auch durch die von unten aufwärts gerichtete Belastung, wenn diese Summe kleiner als die Reaktionskraft an der Bohrlochsohle ist.

Obwohl die Axiallagerung der beschriebenen Bauart durch eine Belastung beansprucht wird, die gleich ist der Differenz zwischen Reaktionskraft an der Bohrlochsohle und Gewichtssumme der rotierenden Teile der Bohrturbine mit hydraulischer Belastung auf Welle und Läufer, erreicht die Größe der Axialbelastung auf die

Axiallagerung d<v Bohrturbine durchaus hohe Werte, und zwar bis zu 20 L

Beim Betrieb der Axiallagerung der hydraulischen Bohrturbine unter großen Axialbelastungen und großen Drehzahlen, die bis zu 700 U/min ansteigen, wird das Eindringen der Spülung und der in ihr enthaltenen Schleifteilchen in den Hohlraum des Axialwälzlagers 20 besonders gefährlich, da hierdurch ein schneller Verschleiß der Axiailagerung und die Außerbetriebsetzung der Bohrturbine verursacht werden.

Sehr intensiv verläuft ein Verschleiß der Stirndichtung und des Wälzlagers beim Betrieb der Bohrturbine mit Düsenmeißeln, wenn die Stirndichtung der Axiallagerang einem hohen DnjckgefäUe, das zum wirksamen Bohren mit diesen Meißeln erforderlich ist, ausgesetzt wird.

Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Axiallagerung der Bohrturbine die rotierenden Scheiben 28 der Stirndichtung 21 starr mit den innenliegenden rotierenden Lagerringen 23 des mehrreihigen Axialwälzlagers 20 verbunden sind, werden die Scheiben der Stirndichtung unter Einwirkung der Axialbelastung, unabhängig davon, ob die Belastung von oben abwärts oder von unten aufwärts gerichtet ist, stets aneinander gepreßt, deshalb wird das Eindringen von Schleifteilchen, die in der Spülflüssigkeit enthalten sind, in den Kugellagerhohlraum verhindert, wodurch das Kugellager gegen Verschleiß geschützt ist und seine Lebensdauer verlängert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Axiallagerung wird unter Einwirkung von hohen hydraulischen Belastungen auf die Stirndichtung, die für das Düsenmeißelbohren kennzeichnend sind, die hydraulische Belastung nicht nur von den gegeneinander reibenden Scheiben der Stirndichtung, wie bei einer bekannten Axiallagerung der Bohrturbine, sondern auch von dem Axialwälzlager aufgenommen, wodurch die Scheiben vor Verschleiß geschützt werden und die Lebensdauer der Stirndich-

tung vergrößert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Axiallagerung der Bohrturbine nehmen außerdem die mit den Ringen des Axialwälzlagers starr verbundenen Scheiben der Stirndichtung einen Teil der äußeren Axialbelastung auf, wodurch die Belastung auf das Kugellager verringert und hiermit seine Lebensdauer zusätzlich verlängert wird.

Die mehrreihige Axiallagerung der Bohrturbine wird in solcher Weise ausgeführt, daß alle inneren und äußeren Scheiben der mehrreihigen Stirndichtung, alle Kugeln und inneren bzw. äußeren Lagerringe des mehrreihigen Axial-Wälzlagers miteinander in Berührung stehen. Das wird durch eine Fertigung aller Komplettierungsteile der mehrreihigen Stirndichtung und des mehrreihigen Axialwälzlagers nach hoher Genauigkeitsklasse bezüglich der Axialabmessungen erreicht.

Dadurch sind unter Einwirkung einer Axiallast, die von oben abwärts gerichtet ist, wie es in Fig. 1, 2 dargestellt ist, alle inneren Scheiben der Stirndichtung gegen die äußeren Scheiben gepreßt, und alle inneren Lagerringe des Axialwälzlagers sind durch die Kugeln an die äußeren Lagerringe gedrückt. Dabei ist der Zutritt der Spülflüssigkeit, die der Stirndichtung zugeführt wurde, in den Hohlraum des Axialwälzlagers durch einige in Berührung stehende und Reibflächen bildende Reiboberflächenpaare zuverlässig verhindert.

Bei einer Wirkung der Axiallast in entgegengesetzter Richtung werden andere Reiboberflächen der Scheiben der Stirndichtung und der Lagtrringe des Axialwälzlagers in Betrieb gesetzt, dabei wird aber ebenfalls ein zuverlässiger Schutz des Axialwälzlagers gegen Eindringen von Schleifteilchen in seinen Hohlraum und eine Verteilung der Axiallast zwischen den Scheiben der Stirndichtung und den Lagerringen des Axialwälzlagers aufrechterhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Axiallagerung für hydraulische Bohrturbinen, die im Motorgehäuse der Turbine angeordnet ist, ein Axialwälzlager, dessen Wälzkörper zwischen mit der Welle bzw. dem Gehäuse starr verbundenen Lagerringen sitzen und zur Aufnahme wechselnder Axialbelastungen vorgesehen sind, und mindestens eine an der oberen Stirnseite des Axiallagers angeordnete Stirndichtung aufweist, die aus mindestens zwei Scheibenpaaren gebildet ist, deren einzelne Scheiben einander überdecken und jeweils dem Stator bzw. dem Rotor zugeordnet sind, wobei die einander zugewandten Flachseiten aller Scheiben mit Reiboberflächen versehen sind, bei Axialbelastung des Lagers in einer Richtung mindestens zwei und in der anderen Richtung mindestens eine Reibfläche zwischen den einzelnen Scheiben gebildet sind und jeweils die eine Scheibe jedes Paares starr mit den einen Lagerringen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Scheibe (28; 29) jedes Scheibenpaares starr mit den anderen Lagerringen (23; 24) verbunden ist.