DE2752768C2 - Turbinenbohrer - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Turbinenbohrer, in dessen Gehäuse Statoren einer Mehrstufenturbine starr befestigt und eine aus axial miteinander verbundene Turbinenläufer tragenden, über Kupplungen längsbeweglich miteinander verbundene Läuferwellen und aus » einer einen Bohrmeißel tragenden Spindelwelle gebildete, im Gehäuse durch Kugellagerung abgestützte Gesamtwelle angeordnet sind.

Ein derartiger Turbinenbohrer ist aus der US-PS 59 222 bekannt Beim Bohren mit dem bekannten Turbinenbohrer wird die Dynamik des Bohrvorgangs durch zwei mit unterschiedlicher Frequenz schwingende Systeme bestimmt. Das eine System besteht aus der Welle des Turbinenbohrers mit dem Meißel und das zweite aus dem Gehäuse des Turbinenbohrers mit der ω Bohrkolonne. Diese beiden Systeme sind über ein Axiallager des Turbinenbohrers, in dem bereits in den ersten Arbeitsstunden durch Verschleiß ein Axialspiel entsteht, miteinander verbunden. Das Schwingen dieser beiden Systeme mit verschiedenen Massen und unterschiedlichen Frequenzen führt dazu, daß Axialverschiebungen gegeneinander als auch voneinander weg erfolgen könne. Das heißt, es können am Meißel einerseits Belastungsspitzen auftreten, andererseits kann er auch Bewegungen von der Bohrlochsohle weg (einen Rücksprung) ausführen. Die Belastungsspitzen sind besonders hoch, wenn die Gegenkraft der Bohrlochsohle, der auf die Turbinenbohrerwelle einwirkenden Kraft der hydraulischen Belastung entspricht oder ihr nahekommt

Beim bekannten Turbinenbohrer wird ein Drucklager für alle Teilwellen verwendet wobei die Teilwdlen mit Kegelschlitzkupplungen verbunden sind, die das Drehmoment und die hydraulische Belastung auf die Teilwellen übertragen. Die auf die mehrstufige Turbine einwirkende hydraulische Belastung und die Gegenkraft der Bohrlochsohle beim Bohren, werden durch die Reibungsscheibe des Axiallagers im unteren Bereich des Turbinenbohrers aufgenommen. Als Folge der Verschleißerscheinungen im Axiallager tritt Spiel auf und damit auch unerwünschte Quer- und Axialvibrationen.

Aus »Bergbauwissenschaften«, Band 2, 1955, H. 5, Seite 129—131 ist ein Zweisektionen turbinenbohrer bekannt bei dem die Wellen der Sektionen axiale Gummimetallagerabstützungen aufweisen. Das Lager der einen Welle nimmt die Differenzlast zwischen der hydraulischen Belastung und der Gegenkraft der Bohrlochsohle auf, das Lager der zweiten Welle nimmt die hydraulische Belastung seitens der Turbine der zweiten Welle auf. Um die Belastung des zweiten Gummi-Metall-Lagers herabzusetzen, ist die zweite Welle als Hohlkörper ausgeführt in dem sich ein Kolben befindet der einen Teil der hydraulischen Belastung auf das erste Gummi-Metall-Lager überträgt Infolge von Verschleißerscheinungen entsteht im Axiallager ebenfalls Spiel mit den bekannten Folgen.

Bei Übergabe der Axialbelastung auf den Bohrmeißel über das Bohrgestänge und das Gehäuse des Turbinenbohrers tritt häufig eine Knickbiegung des langgestreckten Turbinenbohrergehäuses auf. In diesem gekrümmten Gehäuse dreht sich die Welle des Turbinenbohrers, die ein erhebliches Trägheitsmoment aufweist Infolge der Durchbiegung des Turbinenbohrergehäuses biegt sich auch die Welle des Turbinenbohrers durch. Daher dreht sich die Bohrerwelle nicht um die Bohrlochachse, sondern um die Achse des Gehäuses des Turbinenbohrers. Infolge des großen Trägheitmomentes der Welle während ihrer Drehung im gekrümmten Gehäuse und in der Welle des Turbinenbohrers entstehen Querschwingungen, die auf den Meißel übertragen werden und sich auf dessen Standfestigkeit negativ auswirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Turbinenbohrer der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß auch bei verhältnismäßig hohen Umlaufgeschwindigkeiten und bei Übergabe von großen Belastungen auf den Bohrmeißel und Abnulzungserscheinungen der Lager, am Bohrmeißel keine hohen Axial- und Querschwingungen auftreten, die dynamische Belastung des Bohrmeißels wesentlich verringert und insgesamt die Arbeitsleistung mit dem Bohrmeißel zwischen zwei Überholungen verlängert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Turbinenbohrer, in dessen Gehäuse Statoren einer Mehrstufenturbine starr befestigt und eine aus axial miteinander verbundene Turbinenläufer tragenden, über Kupplungen längsbeweglich miteinander verbundene Läuferwellen und aus einer einen Bohrmeißel tragenden Spindelwelle gebildete, im Gehäuse durch Kugellagerung abgestützte Gesamtwelle angeordnet sind, dadurch gelöst, daß jede der einzelnen Läuferwel-

!en an einer ihr zugeordneten Kugellagerung abgestützt, zusätzlich auch zwischen der vordersten Läuferwelle und der den Meißel tragenden Spindelwelle eine diese beiden Teilwellen längsbeweglich verbindende Kupplung vorgesehen und mindestens diese Kupplung mit einem hydraulischen Dämpfer versehen ist

Durch vlitss; Lösung werden auf den Bohrmeißel nur die Axialschwingungen der Spindelwelle übertragen. Die Kugellagerung vermindert die Reibungsverluste auf ein Minimum. Kommt es beim Bohren zum Verschleiß des Axiallager* ii?r Spindel durch die Gegenkraft der Bohrlochsohle, so bildet sich im Lager allmählich ein Axialspiel, was eine Verschiebung der Spindelwelle gegenüber dem Turbinengehäuse nach oben bewirkt. Hier tritt die Wirkung der hydraulischen Dämpfer ein, deren Kolbenraum sich entsprechend der Geschwindigkeit der Axialspaltbildung im Spindellager verkleinert Durch diese Dämpfung befindet sich nur ein System in Axialschwingung.

Vorzugsweise bestehen die Kupplungen zwischen den einzelnen Teilwellen aus einer umfsssenden und einer umfaßten Kupplungshälfte.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der hydraulische Dämpfer von einem in der umfassenden Kupplungshälfte ausgebildeten Hohlraum, der mit dem Raum zwischen dem Gehäuse und der Gesamtwelle kommuniziert, und einem Dichtelement, das in der umfaßten Kupplungshälfte angeordnet ist, gebildet wird.

Um die Standzeit des Turbinenbohrers zwischen zwei Überholungen zu verlängern, ist es vorteilhaft, jeden Turbinenläufer mit einem kleinstmöglichen Axialspalt gegenüber seinen Stator zu installieren.

Eine weitere vorzugsweise Ausgestaltung des Turbinenbohrers besteht darin, daß die Kupplungshälften zur Kompensation einer Nichtkoaxialität der Teilwellen ausgebildet sind.

Nachstehend wird die Erfindung durch Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Gesamtansicht eines Turbinenbohrers im Längsschnitt;

F i g. 2 eine längsgeschnittene Verbindungseinheit der Läuferwellen mit einem zwischen den Kupplungsteilen angeordneten hydraulischen Dämpfer;

Fig.3 eine erfindungsgemäße Verbindungseinheit der Läuferwellen mit zwischen den Kupplungsteilen eingebauter Feder im Längsschnitt

Es wird ein Turbinenbohrer vorgeschlagen, der gemäß F i g. 1 aus zwei Sekiionen besteht Im Gehäuse des Turbinenbohrers, das aus zwei hintereinander angeordneten verbundenen Gehäusesektionen 1, 2 besteht, sind Statoren 3 einer mehrstufigen Turbine starr befestigt und eine aus in Reihe miteinander verbundenen Wellen <·, 5 zusammengesetzte Gesamtwelle montiert, wobei die Wellen 4, 5 Läufer 6 der Mehrstufenturbine tragen. Die Gehäusesektionen 1, 2 des Turbinenbohrers sind miteinander durch Übergangsstücke 7 und 8 verbunden. Der Turbinenbohrer enthält auch eine Spinde'einheit, in deren Gehäuse 9 eine einen Bohrmeißel (aus der Figur nicht ersichtlich) tragende Spindelwelle 10 montiert ist. Die Spindelwelle 10 ist im Spindelgehäuse 9 in einer Kugellagerung montiert, die als mehrstufige Radialachslager 11 ausgeführt ist, dessen Innenringe auf der Spindelwelle 10 und dessen Außenringe im Spindelgehäuse 9 befestigt sind. Das der Spindeleinheit benachbarte Gehäuse der Turbinenbohrersektion 2 wird mit dem Spindelgehäuse 9 ebenfalls durch Übergangsstücke 8 und 12 verbunden.

Erfindungsgemäß wird jede die Läakr 6 iragsr.dt·. We& ■*■„ H in fciner eigenen Kugellagerung in Lagern 13 montiert. Die Innenringe der Lager 13 werden an der jeweiligen Welle 4, 5 und die Außenringe in den entsprechenden Gehäusen 1,2 des Turbinenbohrers mit den Statoren 3 der mehrstufigeil Turbine befestigt Die die Läufer 6 tragende Welle 4 wird mit der mk der Spindelwelle 10 gekoppelten Welle 5 gegeneinander verschiebbar verbunden. Dazu ist an den aneinander stoßenden Enden der genannten Wellen 4, 5 und der Spindelwelle 10 eine Schlupfkupplung vorgesehen, die aus einer umfassenden Außenkupplungshälfte 14 und einer umfaßten Innenkupplungshälften 15 bzw. 16 besieht die alle an den aneinanderstoßenden Enden der benachbarten Wellen 4,5 und 10 befestigt werden. Die Kupplungshälften 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 werde«: kann und die in diesem Zusammenhang auch eine gewisse gegenseitige Winkelverstellung der Wellen 4,5,10 ermöglichen.

Die Schlupfkupplungen 14,15 und 14,16 weisen einen quadratischen Querschnitt auf, deren Kupplungshälften 14; 15, 16 verden miteinander mit einem Luftspalt gekoppelt, durch welchen während des Betriebes eine gewisse Winkelverstellung der Welle einer Turbinenbohrersektion gegen die Wellen anderer Sektionen, unter anderem auch der Welle der Spwideleinheit möglich ist 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 bedeutendem Maße verbessert sowie dessen Betriebsdauer auf der Bohrlochsohle verlängert.

Zwecks einer größeren Herabsetzung des Ausschlages der Axialschwingungen im Turbinenbohrer wird ein Hydraulikdämpfer ausgenutzt, der, in F i g. 2 dargestellt, innerhalo der Schlupfkupplungen 14, 15 und 14, 16 angeordnet wird. Die Zweckbestimmung von Hydraulikdämpfern besteht in einer Herabsetzung der Stärke der Axialvibrationen, was sich beim Betrieb des Bohrmeißels positiv auswirkt und dessen Standfestigkeit an der Bohrlochsohle zu vergrößern begünstigt.

Der im erfindungsgemäßen Turbinenbohrer zur Anwendung kommende Hydraulikdämpfer ist durch einen 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 ein in der vmfc3t>;n Innenkupplurigshälfie 15 angeordnetes Dichtungselement gebildet. Als Dichtungselement wird ein wie ein Kolben wii ktnder Gummiring 19 verwendet Die Verbindung des Hohlraums 17 mit dem innenraum 18 verwirklicht ein Stutzen 20 mit Hilfe der Bohrungen 21 und 22 in ihm, der in der umfaßten Innenkupplungshälfte 15 angeordnet ist. Derart ausgeführte Verbindungen können sowohl zwischen den Teilwellen der Turbinenbohrersektionen als auch zwischen der Teil· welle der untersten Sektion "ird der Spindelwelle eingebaut werden. Der Einbau zwischen den letztgenannten Bauteilen ist am vorteilhaftesten anzusehen

Um den Rückäprung des Bohrmeißels von c r bohrlochsohle weg beim Bohren im festen Gestein zu vermeiden, wird in der zwischen der Spindelwelle ZO

und der mit ihr benachbarten Welle 5 montierten Schlupfkupplung 14—16 (Fig.3) eine Feder 23 aneintritt.

Nach ihrem Austritt aus der letzten Turbinenstufe der unteren Turbinenbohrersektion tritt die Spülflüssigkeit ί durch die Übergangsstücke 8 und 12 und die Bohrungen 32 in der Innenkupplungshälfte 16 in den Hohlraum 17 der Spindelwelle 10 und weiter durch den Bohrmeißel hindurch auf die Bohrlochsohle aus. Bei ihrem Durchtritt durch die Turbinen entwickelt die Spülflüs- to sigkeit in der Statorgesamtheit 3 ein Reaktionsmoment, das gegen den Uhrzeigersinn wirkt, und in der Läufergesamtheit 6 ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment. Dieses im Turbinenläufer 6 entwickelte Drehmoment wird auf die Wellen 4, 5 der Turbinenbohrersektionen übertragen und bewirkt deren Drehung.

Die 2" den Weüsn 4 und 5 der Sektionen entstandenen Drehmomente werden an der Schlupfkupplung 14—15 addiert und über die Kupplung 14—16 auf die Spindelwelle 10 und weiter auf den auf der Spindelwelle 10 befestigten Bohrmeißel übertragen.

Im erfindungsgemäßen Turbinenbohrer, der nur mit Schlupfkupplungen versehen ist, werden die in den Sektionen montierten Axiallager 13 nur durch die von oben nach unten wirkenden hydraulischen Kräfte belastet, während das Lager 11 in der Spindeleinheit die Gegenkraft der Bohrlochsohle, die in Aufwärtsrichtung wirkt, unter Ausnahme der am Stirnende der Spindelwelle 10 angreifenden Hydraulikbelastung aufnimmt; >n aus diesem Grunde werden die Läufer 6 der Turbinensektionen mit einem kleinstmöglichen Abstand 24 gegenüber ihren zugehörigen Statoren 3 montiert.

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.

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 zusammengesetzten Gehäuse des Turbinenbohrers bewirkt, wodurch der Bohrmeißel ebenfalls unter besseren Betriebsverhältnissen arbeiten kann.

Im mit den Schlupfkupplungen mit dem Hydraulikdämpfer bestückten Turbinenbohrer entsteht infolge einer Verdrängung der Spülflüssigkeit durch das Dichtungselement 19 aus dem Hohlraum 17 ein gewisser Widerstand gegen die Axialverschiebung der Wellen 4, 5 und 10 der Sektionen bzw. Spindeleinheit Dadurch wird der Schwingungsausschlag herabgesetzt und demzufolge werden wiederum bessere Betriebsverhältnisse für den Bohrmeißel geschaffen. In dem erfindungsgemäßen Turbinenbohrer werden die Läufer μ mit einem kleinstmöglichen Axialspalt 24 gegenüber ihren zugehörigen Statoren 3 montiert

Im Turbinenbohrer, in dem zwischen der Welle 5 der unteren Sektion und der Spindelwelle 10 die Feder 23 angeordnet ist, wird ein Rücksprung des Bohrmeißels t>i von der Bohrlochsohle weg vermieden, wozu die Kraft des vorangehenden Zusammendrucks der Feder die hydraulische Belastung der Welle 5 der unteren Sektion übersteigen und sich der Größe der Gegenkraft der Bohrlochsohle nähern muß. Dazu werden die Läufer 6 geordnet, 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.

Besonders zweckmäßig ist eine Kraftgröße des Zusammendrucks der Feder 23 die den Wert der hydraulischen Belastung an der unteren Sektion des Turbinenbohrers übersteigt und sich der Belastung am Bohrmeißel annähert.

Die Spindeleinheit wird derart ausgeführt, dall deren Welle 10 sich gegenüber der Welle 5 der unteren Sektion um eine erhebliche Größe etwa 30 bis 40 mm verschieben kann. Diese Verschiebungsgröße bestimmt die Ρ.?5€γυ? für d'? Respitigung des Spiels im Axiallager U der Spindeleinheit und demzufolge auch für die Betriebsdauer dieses Axiallagers.

Im erfindungsgemäßen Turbinenbohrer werden alle Axiallager während des Betriebes nur einseitig belastet.

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 kleinstmöglichen Achsspalt 24 (Fig. t) montie !, wenn zur Verbindung der Wellen 4, 5, 10 des Turbinenbohrers bzw. der Spindeleinheit die Schlupfkupplungen 14—15 und 14—16 mit bzw. ohne Hydraulikdämpfer ausgenutzt wrden.

Zu demselben Zweck aber bei Benutzung der Feder 23 in eier mit der Spindeleinheit benachbarten Turbinenbohrersektion wird jeder der Läufer 6 der mehrstufigen Turbine mit eii'.eirr größtriog'ichen Achsspalt 24 gegenüber cicn jeweiligen Statoren 3 aufgestellt.

Zur Befestigung und Fixierung der Statoren 3 und Außenringe der Lager 13 in den Turbinenbohrergehäusen 1 und 2 dienen Sperrschlösser 25, während die Läufer 6 und Innenringe der Lager 13 auf den Wellen 4, 5 vermittels Abstandshülsen 26 befestigt und fixiert werden.

Um die Außenringe des Radialachslagers If im Spindelgehäuse 9 zt> befestigen und zu fixieren, werden in diesem eine AbsUndshülse 27 und Außenringe 28 von Stopfbuchsen 2S vorgesehen.

Zur Befestigung und Fixierung der Inrrmringe des Lagers 1L dienen Hülsen 30 der Stopfbuchsen 29 und eine Abstandshülse 31.

In der auf die Spindeiwelle IC aufgesci.iaubte Innenkupplungshälfte 16 sind Bohrungen 32 zum Durchgang einer Spülflüssigkeit durch den Innenraum der Spindelwelle 10 zum Bohrmeißel ausgefräst

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Turbinenbohrers vorläuft wie folgt

Die durch Spülpumpen der Bohranlage (aus der Figur nicht ersichtlich) geförderte Spülflüssigkeit tritt durch den Bohrgestängestrang (ebenfalls nicht mitabgebildet) in den oberen Anschlußstutzen 7 des Turbinenbohrers. Im weiteren strömt die Spülflüssigkeit unter Umgehung des oberen Lagers 13, in welchem die Welle 4 der oberen Sektion gelagert 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 der Turbine der oberen Sektion fließt die Spülflüssigkeit in den Übergangsstükken 8 und 7 zwischen den Sektionen zu der nächsten Turbinenbohrersektion, in welcher sie unter Umströ-

mung des die Welle 5 dieser Sektion tragenden Lagers 13 in die mehrstufig Turbine dieser folgenden Sektion der unteren Turbinenbohrersektion mit einem größtmöglichen Axialspalt 24 gegenüber ihren zugehörigen Statoren 3 montiert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Turbinenbohrer, in dessen Gehäuse Statoren einer Mehrstufenturbine starr befestigt und eine aus axial miteinander verbundene Turbinenläufer tragenden, über Kupplungen längsbeweglich miteinander verbundene Läuferwellen und aus einer einen Bohrmeißel tragenden Spindelwelle gebildete, im Gehäuse durch Kugellagerung abgestützte Gesamtwelle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede der einzelnen Läuferwellen (4,5) an einer ihr zugeordneten Kugellagerung (13) abgestützt, zusätzlich auch zwischen der vordersten Läuferwelle (5) und der den Meißel tragenden Spindelwelle (10) eine diese beiden Teilwellen längsbeweglffh verbindende Kupplung (14, 16) vorgesehen und mindestens diese Kupplung (14,16) mit einem hydraulischen Dämpfer versehen ist.

2. Turbinenbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Kupplungen zwischen den einzelnen Teilwellen (4,5,10) aus einer umfassenden und einer umfaßten Kupplungshälfte (14; 15, 16) bestehen.

3. Turbinenbohrer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Dämpfer von einem in der umfassenden Kupplungshälfte (14) ausgebildeten Hohlraum (17), der mit dem Raum (18) zwischen dem Gehäuse (1,2) und der Gesamtwelle (4, 5, 10) kommuniziert, und einem Dichtelement (19), das in der umfaßten Kupplungshälfte (15, 16) angeordnet ist, gebildet wird.

4. Turbinenbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeJer Turbinenläufer (6) mit einem kleinstmöglichen Axials, alt (24) gegenüber seinem Stator (3) installiert ist

5. Turbinenbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungshälften (14, 15, 16) zur Kompensation einer Nichtkoaxialität der Teilwellen (4,5,10) ausgebildet sind.