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TURBINENBOHRER
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Bohrtechnik, ins besondere
Turbinenbohrer.
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Der erfindungsgemäße Turbinenbohrer ist schemaß zum Bohren von tiefen
Erdöl- und Erdgasbohrungen unter Benutzung sowohl von Rollen- als auch Diamantbohrmeißeln
am zweckmäßigsten geeignet.
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Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung beim nb vieichbohren
von schräggeführten Tiefbohrungen während der Richtbohr aufschließung von Erdöllagerstätten
und Erdgasfelders ausgenutzt werden.
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Allgemein bekannt ist ein Turbinenbohrer, in dessen Gehäuse Statoren
der Turbine untergebracht und in Reihe miteinander verbundene Wellen montiert sind,
die Läufer tr gen und die Gesamtwelle eine des Turbnenbohrers zusammensetzen Der
Turbinenbohrer enthält auch/Spindeleinheit , deren einen Welle einen Bohrmeißel
trägt und in Kugellagerung montiert ist.
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Dieser bekannte Turbinenbohrer ist eine mehrsektionierte Maschine
da dessen Gehäuse mehrteilig ausgeführt und jede die Läufer tragende Welle in Radiallagerung
montiert ist. Eine Turbinenbohrersektion schließt die Welle mit Läufern und Radiallagerungen
ein, welche alle in einem eigenen Gehäuse untergebracht werden.
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Die Sektionsgehäuse des Turbinenbohrers werden miteinander durch
Gewinderverbindungen gekoppelt, wozu an den Sektions gehäuseenden Übergangsstücke
angeordnet werden und die Teil wellen miteinander durch Kegelschlitzkupplungen starr
verbunden sind. Das der Spindeleinheit nächstliegende Sektionsgehäuse des Turbinenbohrers
wird mit dem Spindeleinheitgehäuse mit Hilfe einer Gewindeverbindung durch Übergangsstücke
gekoppelt, während die Welle der genannten Turbinensektion durch eine Kegelschlitzkupplung
mit der Welle der Spindeleinheit starr verbunden wird.
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Bei diesem Turbinenbohrer stellen die einzelnen miteinander durch
Kegelschlitzkupplungen starr verbundenen Wel len der zusammengesetzten Gesamtwelle
ein Ganzes dar. Diese Gesamtwelle besitzt eie große Masse, die auf den Bohrmeißel
übertragen wird, was sich auf die Dynamik des arbeitenden Bohrmeißels unter vorhandenen
Axialvibrationen negativ auswirkt.
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Besonders stark nimmt die Dynamik des arbeitenden Bohr meißels zu,
wenn in der ein Axiallager bildenden Kugellagerung
bei vorhandenem
Spiel darin die Gegenkraft der Bohrlochsohle der hydraulischen Belastung gleich
wird oder zu dieser nahe kommt. Bei diesem Betriebszustand verläuft die Arbeit in
Verbindung mit einem hohem niveau der Axialschwin gungen, was sich auf die Standfestigkeit
des Bohrmeißels auch negativ auswirkt.
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Darüber hinaus tritt bei Übergabe der Axialbelastung den Bohrmeißel
über die Bohrrohrkolonne und das Gehäuse de Turbinenbohrers eine Knickbiegung des
langgestreckten Tur- sich binenbohrergehäuses auf. In diesem gekrümmten Gehäuse
soll, die Welle des Turbinenbohrers drehen, die ein erhebliches Trägheitsmoment
aufweist. Bei dieser Durchbiegung der Turbinenbohrergehäuses biegt sich auch die
Welle des Turbincnbohrers durch. Daher dreht sich die Bohrerwelle nicht um die Bohrlochachse,
sondern um die Achse das Gehäuses de: Turbeinenbohrers. Infolge des großen Trägheitsmomentes
der Welle während ihrer Drehung im gekrümmten Gehäuse und in der Welle des Turbinenbohrers,
entstehen Querschwingungen, die dem Meißel übertragen werden und sich auf dessen
Standfestigkeit negativ auswirken.
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In dem betreffenden Turbinenbohrer werden die Turbine über den läufer
gegen- / Statoren in eine mittlere Stellung gestellt. Aus diesem Grunde darf das
Axiallager der Spindeleinheit nur auf die Größe abgenutzt werden, die der Hälft
des Spaltes in der Turbine entspricht, d.h. nur 5 bis 6 mm.,
was
die Betriebszeiten des Turhobohrers zwischen zwei Überholungen verkürzt.
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Der Erfindung ist die Aufgabe zugrundegelegt, einen Turbinenbohrer
zu entwickeln, bei dem die Anordnung jeder die Läufer tragenden Welle und deren
Verbindung miteinander sowie mit der Welle der Spindeleinheit derart bewerkstellig
werden, daß bei einer verhältnismäßig hohen Umlaufgeschwindigkeit und bei Übergabe
von großen Belastungen auf den Bohrmeißel an diesem keine hohen Axial- und Queis-chwin>ungen
entstehen, die dynamische Belastung des Bohrmeißels wesentlich herabgesetzt und
dessen Laufdau zwischen zwei Überholungen verlängert wird.
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Die gestellte Aufgabe wird vernittels eines Turbinenbohrers gelöst,
in dessen Gehäuse Statoren einer mehrstufigen Turbine starr befestigt sind und eine
Welle monticrt ist, welche in Reihe miteinander verbundene Wellen bilden, die Läufer
der Turbine tragen, und welche eine Spit deleinheit einschließt, deren Welle einen
Bohrmeißel tragt und in Kugellagerung montiert ist, in der erfindungsgemäß jede
die Turbinenläufer tragende Welle in ihrer eigenen Kugellagerung montiert und mit
der benachbarten Welle gegeneinander verschiebbar verbunden wird.
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Dank dem Umstand, daß jede Zelle der zusammengesetztes Gesamtwelle
in ihrer eigenen Kugellagerung montiert
wird, werden dem Bohrmeißel
nur Axialschwingungen der Welle der Spindeleinheit vorzugsweise übertragen. Durch
Ausführun des betreffenden Lagers als Kugellagerung werden die Reibungsverluste
auf ein Minimum gebracht.
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Die Verbindung benachbarter Wellen miteinander unter Ermöglichung
ihrer gegenseitigen Verschiebung gibt die Möglichkeit, auch die Übertragung auf
den Bohrmeißel einer negativen Einwirkung ihrer Vibration zu vermeiden und 3 1 2
stark die Übermeißelmasse herabzusetzen, wodurch auch die auf den Meißel übertragene
dynamische Belastung herabgesetz werden kann.
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Im erfindungsgemäßen Turbinenbohrer ist es am vorteilhaftesten, die
Enden benachbarter Wellen durch eine Schlupfkupplung zu verbinden, deren Kupplungshälften
an der Enden dieser Wellen festsitzen. Die Schlupfkupplung bringt eine Herabsetzung
der Einwirkungen von uer-und Axialscbwingun0en der Gesamtwelle auf den 30hrmeißel
mi sich.
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Es empfiehlt sich) daß die Kupllungshälften solche Querschnittsgrößen
besitzen, deren Abmessungen die Nichtkoaxialität der benachbarten Wellenabschnitte
auszugleichen ermöglichen. Durch Sicherung der Winkelverschiebung der Wellen gegeneinander
wird eine notwendige Flexibilität der zusammengesetzten Gesamtwelle erreicht und
daher wird eine Verminderung der Querschwingungen aucl
bei vorhandener
Durchbiegung desGehäuses des Turbinenbohrers bewirkt.
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Es ist vorteilhaft, zumindest die zwischen der Welle der Spindeleinheit
und der mit ihr benachbarten Welle angeordnete Kupplung mit einem hydraulischen
Dämpfer zu versehen. Die Benutzung des hydraulischen Dämpfers ermöglicht eine weitere
Verminderung des Ausschlags bei Axialvibraen tion' des Bohrmeißels.
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Eine praktischseinfachste Ausführung liegt vor, wenn der hydraulische
Dämfer durch einen in der umfassenden Kupplungshälfte ausgeführten Hohlraum, der
mit dem Innenraum zwischen dem Gehäusekörper des Turbinenbohrers und dessen Welle
in Verbindung steht, und durch ein in der umfaßten Kupplungshälfte angeordnetes
Dichtungselement gebildet wird.
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Zum Bohlen im festen Gestein wird in der Schlupfkupplung zwischen
der Welle der Spindeleinheit und mit ihr benachbarten Welle vorzugsweise eine Feder
vorgeschen, die zwischen den KupplunGshälften angeordnet wird. Druch den Einbau
der genannten Feder wird ein Auseinanderrückes der Wellenteile erreicht und somit
auch ein Rücksprung des Bohrmeißels von der Bohrlochsohle weg verhindert.
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zwischen zwei Zwecks Verlängerung der Zeit / Überholungen des Turbinenbohrers
wird jeder Läufer der Turbine zweckmäßige: weise mit kleinstmöglichem Axialspalt
gegen über dem ihm zugehörige:
Stator montiert. In diesem Fall
kann die in den Kugellagerungen der Turbinenbohrersektionen zulässige Größe des
Abstands, der unter Angriff der hydraulischen Belastung verringert wird, die Größe
des Axialspiels der Turbine erreichen.
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Falls eine Stoßfeder anstatt des Hydraulikdämpfers ver wendet wird,
ist es zweckmäßig jedem der an der mit der Wel le der Spindeleinheit benachbarten
Welle festsitzenden Laufer der Turbine mit einem größtmöglichen Axialabstand in
bezug auf den ihm zugehörigen Stator zu montieren.
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Nachstehend wird die vorliegende Erfindung durch eine ausführliche
Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen
erklärt, es zeigen Fig. 1 eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Turbinenbohrers
im Längsschnitt; Fig. 2 eine längsgeschnittene Verbindungseinhei der Wellen mit
dem in der Schlupfkupplung angeordneten hydraulischen Dämpfer der Erfidung gemäß;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Verbindungseinheit der Wellen mit in die Schlupfkkupplung
eingebauter Feder im Längsschnitt.
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Es wird ein Turbinenbohrer vorgeschlagen, der in Fig.
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1 aus zwei Sektionen bestehend dargestellt ist. Im Gehäuse des Turbinenbohrers,
das aus zwei hintereinander angeordneten verbundenen Gehäusesektionen 1, 2 besteht,
werden Statoren
3 einer mehrstufigen Turbine starr befestigt und
eine aus in Reihe miteinander verbundenen Wellen 4, 5 zusammengesetzte Gesamtwelle
montiert / die Wellen 4, 5 Läufer 6 der Mehrstufenturbine tragen.
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Die Gehäusesektionen 1, 2 des Turbinenbohrers sind mit einander durch
Übergangsstücke 7 und 8 verbunden.
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Der Turbinenbohrer enthält auch eine Spindeleinheit, in deren Gehäuse
9 eine einen Bohrmeißel (aus der Fig. nich ersichtlich) tragende Spindelwelle 10
montiert ist.Die Spindelwelle 10 ist im Spindelgehäuse 9 in einer Kugellage rung
montiert, die als mehrstufiges Radialachslager 11 ausgeführt dessen ist, dessen
Innenringe auf der Spindelwelle 10 und / Außenringe im Spindelgehäuse 9 befestigt
sind.
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Das der Spindeleinheit benachbarte Gehäuse der Turbinenbohrersektion
wird mit dem Spindelgehäuse 9 ebenfalls durch Übergangstücke 8 und 12 verbunden.
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Erfindungsgemäß wird jede die Läufer 6 tragende Welle 4, 5 in einer
eigenen Kugellagerung in Lagern 13 montiert.
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Die Innenringe der Lager 13 werden an der jewei liter Welle 4, 5
und die Außenringe in den entsprechenden Gehäusen 1, 2 des Turbinenbohrers mit den
Statoren 3 der mehrstufigen Turbine befestigt.
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Die die Läufer 6 tragende Welle 4 wird mit der mit der Spindelwelle
10 gekoppelten Welle 5 gegeneinander verschiebaneinander bar verbunden. Dazu ist
an den stoßenden Enden der genannten
Wellen 4, 5 und der Spindelwelle
10 eine Schlupfkupplung vorgesehen, die aus einer umfassenden Außenkuppeiner lungshälfte
14 und umfaßten Innenkupplungshälfte 15 bzw. 16 besteht, die alle an den aneinander
stoßenden Enden der benschbarten Wellen 4, 5 und 10 befestigt werden. Die Kupplungshalften
14 und 15 sowie 14 und 16 weisen so große Querschnittsabmessungen auf, daß eine
eventuelle Nichtkoaxialität der benachbarten wellen 4, 5 und der Spindelwelle 10
ausgeglichen werden kann und die in diesem Zusammenhang auch eine gewisse gegenseitige
Winkelverstellung der Wellen 4, 5, 10 ermöglichen.
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Die Schlupfkupplungen 14-15 und 14-16 weisen einen quadratischen
Querschnitt auf, deren Kupplungshälften 14, 15, 16 werden miteinander mit einem
Luftspalt gekoppelt, durc welchen wahrend des Betriebes eine gewisse Winkelverstellun
der Welle einer Turbinenbohrersektion gegen die Wellen ande rer Sektionen, unter
anderem auch der Welle der Spindeleinheit möglich ist.
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Dadurch wird die zusammengestellte Gesamtwelle des Turbinenbohrers
ihrer Art nach eine biegsame Welle, so daß trotz einer auftretenden Durchbiegung
des Gehäuses die Stärke der Querschwingungen des Gehäuses im wesentlichen herabgesetzt
werden, was die Betriebsverhältnisse des Bohrmeißels in bedeutenden Maße verbessert
sowie dessen Beauf der triebsdauer / Bohrlochsohle verlängert.
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Zwecks einer größeren Herabsetzng des Ausschlages der Axialschwingungen
im Turbineiibohrer wird ein Hydraulik dämpfer ausgenutzt, der, in Fig. 2 dargestellt,
innerhalb der Schlupfkupplungen 14-15 und 14-16 angeordnet wird.
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Die Zweckbestimmung von Hydraulikdämpfern besteht in einer Herabsetzung
der Stärke der Axialvibrationen, was sie beim Betrieb ues Bohrmeißels positiv auswirkt
und dessen Standfestigkeit an der Bohrlochschale zu vergrößern begünstigt.
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Der im erfindungsgemäßen Turbinenbohrer zur Anwendung kommende Hydraulikdämpfer
ist durch eine in der umfassenden Außenkupplungshälfte 14 vorgesehenen Hohlraum
17, der mit dem Innenraum 18 zwischen dem Gehäusekörper 2 des Turbinenbohrers und
der Welle 5 in Verbindung gebracht wird, und ei in der umfaßten Innenkupplungshälfte
15 angeordnetes Dichtungselement gebildet. Als Dichtungselement wird ein wie ein
Kolben wirkender Gummiring 19 verwendet. Die 7erbindung des Hohlraume 17 mit dem
Innenraum 18 verwirklicht ein Stutzen 20, der in der umfaßten Innenkupplungshälfte
1' angeordnet ist, mit Hilfe der Bohrungen 21 und 22 in ihm Derart ausgeführte Verbindungen
können sowohl zwischen den Teilwellen der Turbinenbohrersektion als auch zwischen
der Teilwelle der untersten sektion und der Spindelwelle eingebaut werden. Der Einbau
zwischen den letztgenannten
Bauteilen ist am vorteilhaftesten
anzusehen.
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Um den Rücksprung des Bohrmeißels von der Bohrlochsohle weg beim
Bohren im festen Gestein zu vermeiden, wird in der zwischen der Spindelwelle 10
und der mit ihr benachbarten Welle 5 montierten Schlupfkupplung 14-16 (Fig. 3) eine
Feder 23 angeordnet , deren Enden mit den Kupplungshälften 14 und 16 zusammenwirken.
Mit der durch die Feder 23 entwickelten Kraft wird die Spindelwelle 10 nach unten
gedrückt und bei einem in der Kugellagerung 11 vorhandenen Spiel der Rücksprung
des Bohrmeißels von der Bohrlochsohle nicht ermöglicht.
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Besoders zweckmäßig ist die eine Kraftgröße des Zusammendrucks der
Feder 23, übersbeigt den Wert der hydraulischen Belastung an der unteren Sektion
des Turbinenbohrers, und sich der Belastung am Bohrmeißel annähert.
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Die Spindeleinheit wird derart ausgeführt, daß deren welle 10 sich
gegen über der Welle 5 der unteren Sektion um ein erhebliche Größe etwa 30 bis 40
mm verschieben kann. Diese Verschiebungsgröße bestimmt die Reserve für die Beseitigung
des Spiels in Axiallager 11 der Spindeleinheit und demzurür folge auch/die Betriebsdauer
dieses Axiallagers.
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Im erfindungsgemäßen Turbinenbohrer werden alle Axiallager während
des Betriebes nur einseitig belastet.
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Um eine Verlängerung der Lebensdauer der Lager 13 in den Turbinenbohrersektionen
zu erreichen, wird jeder Läufer 6
in bezug auf seinen zugehörigen
Stator 3 mit einem kleinst möglichen Achsspalt 24 (Fig. 1) montiert, wenn zur Verbindung
der Wellen 4, 5, 10 des Turbinenbohrers bzw. der Spin deleinheit die Schlupfkupplungen
14-15 und 14-16 mit bzw.
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ohne Hydraulikdämpfer ausgenutzt werden.
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Zu demselben Zweck bei Benutzung aber der Feder 23 in der mit der
Spindeleinheit benachbarten Turbinenbohrersektion wird jeder der Läufer 6 der mehrstufigen
Turoine mit t über einem größmöglichen Achsspalt 24 gegen über den jeweiligen Statoren
3 aufgestellt.
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Zur Befestigung und Fixierung der Statoren 3 und Auße ringe der Lager
13 in den Turbinenbohrergehäusen 1 und 2 d nen Sperrschlösser 25, während die Läufer
6 und Innenringe der Lager 13 auf den ellen 4, 5 vermittels Abstandshülsen 26 befestigt
und fixiert werden.
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Um die Außenringe des Radialachslagers 11 im Spindelzu gehäuse 9
zu befestigen und fixieren, werden in diesem ein Abstandshülse 27 und Außenringe
28 von Stopfbuchsen 29 vergesehen.
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Zur Befestigung und Fixierung der Innenringe des Lage 11 dienen Hülsen
30 der Stopfbuchsen 29 und eine Abstandshülse 31.
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In der auf die Spindelwelle 10 aufgeschraubten Innenkupplungshälfte
16 sind Bohrungen 32 zum Durchgang einer Spülflüssigkeit durch den Innenraum der
Spindelwelle 10 zum Bohrmeißel ausgefräst.
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Die Wirkung des erfindungsgemäßen Turbinenbohrers ver läuft wie folgt.
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Die durch Spülpumpen der Bohranlage (aus der Fig.
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nicht ersichtlich) geförderte Spülflüssigkeit tritt durch den Bohrgestängtestrang
(ebenfalls nicht mitabgebildet) in den oberen Anschlußstutzen 7 des Turbinenbohrers.
Im weiteren strömt die Spülflüssigkeit unter Umgehung des obe ren Lagers 13, in
welchem die Welle 4 der oberen Sektion g lagert ist, durch die Sperrschlösser 25
an beiden Seiten des Lagers 13 in die Turbine der oberen Turbinenbohrersektion hinein
Nach dem Austritt aus der letzten Stufe (1, Turbine der oberen Sektion fließt die
Spülflüssigkeit in den Übergangsstücken 8 und 7 zwischen den Sektionen zu der nächsten
Turbinenbohrersektion, in welcher sie unter Umstr mung des die Welle 5 dieser Sektion
tragenden Lagers 13 in die mehrstufige Turbine dieser folgenden Sektion eintritt.
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Nach ihrem Austritt aus der letzten Turbinenstufe der unteren Turbinenbohrersektion
tritt die Spülflüssigkeit durch die Übergangsstücke 8 und 12 und die Bohrungen 32
in der Innenkupplungshälfte 16 in den Hohlraum 17 der Spindelwell 10 und weiter
durch den Bohrmeißel/auf die Bohrlochsohle aus hindurch. Bei ihrem Durchtritt durch
die Turbinen entwicke die Spülflüssigkeit in der Statorgesamtheit 3 ein Reaktion
den moment, das gegen/Uhrzeigersinn wirkt, und in der Läuf ergesmtheit
6
ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment.
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Dieses im Turbinenläufer 6 entwickelte Drehmoment wird auf die Wellen
4, 5 der Turbinenbohrersektionen übertragen und bewirkt deren Drehung.
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Die an den Wellen 4 und 5 der Sektionen entscandenen Drehmomente
werden an der Schlupfkupplung 14-15 addiert und auf die Spindeluelle iO>über
die Kupplung 14-16, und weiter auf den auf der Spindelwelle 10 befestigten Bohrmeißel
übertragen.
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Im erfindungsgemäßen Turbinenbohrer, der nur mit Schlupfkupplungen
versehen iot, werden die in den Sektion: montierten Axiallager 13 nur durch die
von oben nach unter wirkenden hydraulischen Kräfte belastet, während das Lager 11
in der Spindeleinheit die Gegenkraft der Bohrlochsohle, die in Aufwärtsrichtung
wirkt, unter Ausnahme der am Stirn ende der Spindelwelle 10 angreifenden Hydraulikbelastung
aufnimmt; aus diesem Grunde werden die Läufer 6 der Turbinensektionen mit einem
kleinstmöglichen Abstand 24 gegen über ihrer zugehörigen Statoren 3 montiert.
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Durch Anwendung der Schlupfkupplung zwischen der Welle 5 der unteren
Sektion und der Spindelwelle 10 ist eine wesentliche Herabsetzung der den Bohrmeißel
belastenden Übermeißelmasse und demzufolge auch die Verminderung der dynamischen
Belastung des arbeitenden Bohrmeißels erreicht was wiederum seine Standfestigkeit
vergrößert.
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Die Anwendung der Schlupfkupplungen zwischen den Sektionen, welche
den Ausgleich der jeweiligen Nichtkoaxialität der Wellen 4, 5 und 10 der Sektionen
bzw. Spindeleinheit ermöglichen, hat eine bestimmte Biegsamkeit der zusammengesetzten
Gesamtwelle des Turbinenbohrers und die Herabsetzung der Querschwingungen im zusammenge
setzten Gehäuse des Turbinenbohrers bewirkt, wodurch der Bohrmeißel ebenfalls unter
besseren Betriebsverhältnissen arbeiten kann.
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Im mit den Schlupfkupplungen mit dem Hydraulikdämpfer bestückten
Turbinenbohrer entsteht infolge einer Verdrängun -durch das Dichtungselement 19
der Spülflüssigkeit aus dem Hohlraum 17 ein gewisser Widerstand gegen die Axialverschiebung
der Wellen 4, 5 und 10 der Sektionen bzw. Spindel einheit. Dadurch wird der Schwingungsausschlag
herabgesetzt und demzufolge werden wiederum bessere Betriebsverhältnisse für den
Bohrmeißel geschaffen. In dem erfindungsgemäße Turbinenbohrer werden die Läufer
6 mit einem kleinstmöglichen Axialspalt 24 gegen über ihren zugehörigen Statoren
3 montiert.
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Im Turbinenbohrer, in dem zwischen der Welle 5 der under teren Sektion
und Spindelwelle 10 die Feder 23 angeordnet ist, wird ein Rücksprung des Bohrmeißels
von der Bohrlochsohle weg vermieden, wozu die Kraft des vorangehen den Zusammendrucks
der Feder die hydlaulische Balaatung der Welle 5
der unteren Sektion
übersteigen und sich der Größe der Gegenkraft der Bohrlochsohle nähern muß. Dazu
werden die Läufer 6 der unteren Turbinenbohrersektion mit einem über größtmöglichen
Axialspalt 24 gegen ihren zugehörigen Statoren 3 montiert.