DE3708824A1 - Lagerhuelse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerhülse zum Abstützen drehbarer ringförmiger Teile oder Wellen.

Auf dem Gebiet des Bohrens sind zahlreiche Umstände anzutreffen, bei denen es erwünscht ist, elektrische Energie im Bohrlochtiefsten durch einen Turbogenerator zu erzeugen, der durch den Bohrschlammstrom angetrieben wird, oder für das Bewegen eines Teils im Bohrlochtiefsten erforderliche Energie direkt durch ein Schaufelrad zu erzeugen, das durch den Schlammstrom angetrieben wird. Die britischen Patentschriften 20 82 653A und 20 87 951A beschreiben Anordnungen, bei denen ein durch einen Schlammstrom angetriebenes ringförmiges Schaufelrad ein sich längs erstreckendes Gehäuse umgibt und einen elek­ trischen Generator innerhalb des Gehäuses ebenso antreibt wie ein Drosselorgan zur Erzeugung von Druckimpulsen in dem Schlammstrom mit dem Ziel, Meßdaten an die Oberfläche zu übertragen. Ferner ist gemäß der britischen Patentan­ meldung 85 23 453 ein mit Schaufeln versehener Stator unmittelbar stromaufwärts von dem Schaufelrad so angeord­ net, daß er auf den Schlammstrom einwirkt, bevor dieser das Schaufelrad erreicht, wobei die Schaufeln des Stators schräg angeordnet sind, damit der Schlammstrom die Schaufeln des Schaufelrades in einem solchen Winkel beaufschlagt, daß nur ein geringer Druck auf dem Schaufel­ radlager wirksam ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerhülse zur Verfügung zu stellen, die das Schaufelrad bei einer derartigen Anordnung abstützen kann und trotz der widri­ gen, durch den Schlammstrom hervorgerufenen Bedingungen eine lange Standzeit aufweist.

Die Erfindung ist zur Lösung dieser Aufgabe bei einer Lagerhülse vorgesehen, bestehend aus einer verhältnismäßig starren ringförmigen Schale und einer Auskleidung aus elastomerem Material auf der Innenwand der Schale, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung sich über eines/jedes Ende der Schale zur Bildung einer axialen Drucklagerfläche axial erstreckt, die vor einem/jedem Ende der Schale angeordnet ist.

Die Lagerhülse gemäß der Erfindung ist ferner an einem oder jedem Ende der Hülse mit einer Mehrzahl von in gleichen Winkelabständen voneinander angeordneten Teilen versehen, die axiale Drucklagerflächen bilden, welche durch sich radial erstreckende Nuten getrennt sind, wobei jede Lagerfläche eine Einlaß- und eine Auslaßseite in bezug auf die Richtung aufweist, aus der in Umfangsrich­ tung strömendes schmierendes Fluid über die in Gebrauch befindliche Lagerfläche fließt, und die Lagerfläche schmaler an ihrer Einlaßseite ist als an ihrer Auslaß­ seite.

Die Erfindung ist nachstehend anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Teils eines Bohr­ loch-Signalgebers, bei dem von zweien solcher Lager Gebrauch gemacht wird, wobei der obere Teil der Fig. im axialen Schnitt gezeigt ist;

Fig. 2 eine Endansicht des Lagers;

Fig. 3 ein axialer Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 eine Einzelheit der Fig. 3, die das Kronenpro­ fil zeigt;

Fig. 5A bzw. 5B Endansichten längs der Linie B-B in Fig. 5A eines vorstehenden Lagerteils einer abgeänder­ ten Ausführungsform; und

Fig. 6A und 6B jeweils Endansichten längs der Linie B-B in Fig. 6A eines vorstehenden Lagerteils einer weiteren abgeänderten Ausführungsform.

Bevor das Hülsenlager im einzelnen beschrieben wird, soll unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein Signalgeber kurz beschrie­ ben werden, bei dem zwei solcher Lager eingebaut sind, damit die beabsichtigte Funktion des Lagers besser verständlich ist. Der Signalgeber, der innerhalb eines Bohrkragens am Ende eines Bohrstranges innerhalb eines Bohrloches während des Bohrens angeordnet sein soll, dient zum Übertragen von Meßdaten an die Oberfläche in Form von Druckimpulsen durch Modulierung des Drucks des durch den Bohrstrang nach unten strömenden Schlammes. Der Signal­ geber umfaßt innerhalb eines Gehäuses 10 ein Drosselorgan, das in bezug auf eine Drosselöffnung axial verstellbar ist, um den Durchflußquerschnitt der Öffnung zu verändern und dadurch Druckimpulse in dem durch diese Öffnung hindurchfließenden Schlammstrom zu erzeugen. Ein ringför­ miges Schaufelrad 30 umgibt das Gehäuse 10 und ist in dem Schlammstrom drehbar. Das Schaufelrad 30 ist mit einem Antriebsorgan innerhalb des Gehäuses 10 magnetisch so gekoppelt, daß das Antriebsorgan angetrieben wird, welches wiederum sowohl eine Pumpe als auch einen elektrischen Generator für die Versorgung des Bohrlochtiefsten mit elektrischer Energie antreibt. Die Pumpe dient der linearen Verstellung des Drosselorgans, wobei die Ver­ stellrichtung durch ein Magnet-Betätigungsglied bestimmt wird, das durch ein elektrisches Eingangssignal gesteuert wird. Es ist erkennbar, daß eine Anzahl der oben angegebe­ nen Bestandteile in Fig. 1 nicht sichtbar ist. Die Konstruktion und der Betrieb eines solchen Signalgebers können jedoch der GB-PS 21 23 458A entnommen werden.

Ein ringförmiger Stator 32 umgibt ebenfalls das Gehäuse 10 stromaufwärts des Schaufelrades 30 und ist am Gehause 10 befestigt. Der Stator 32 weist Schaufeln 34 auf, die relativ zu der Schlammstromrichtung gekrümmt sind, während das Schaufelrad 30 mit Schaufeln 36 versehen ist, die parallel zur Schlammstromrichtung verlaufen. Das Schaufel­ rad 30 ist in bezug auf das Gehäuse 10 mittels oberer und unterer Hülsenlager 56 und 58 drehbar angebracht. Jedes Lager 56 oder 58 umgibt ein ringförmiges Lagerteil 60 oder 62, die axiale und radiale Lagerflächen 64, 65 oder 66, 67 bilden. Die Lager 56 und 58 sind an dem Schaufelrad 30 befestigt und die Lagerteile 60 und 62 sind an dem Gehäuse 10 fest angebracht. Ferner werden die Lager 56 und 58 durch den Schlammstrom geschmiert und sind so geformt, daß sie sowohl axialen als auch radialen Druck in einer Weise aufnehmen, die im einzelnen unten beschrieben wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 umfaßt das Lager 56 oder 58 eine äußere Schale 70 aus Messing und eine innere Auskleidung 72, die mit der Innenfläche der Schale 70 verbunden und aus Nitrilkautschuk hergestellt ist, dessen Härte 75 bis 80 Shore-A beträgt. Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist, erstreckt sich die innere Auskleidung 72 axial über das eine Ende der Schale 70 hinaus, so daß sie einen ringförmigen Teil 74 bildet, der über das Ende der Schale 70 vorsteht und an der Stirnseite der Schale 70 herumgelegt ist. Ferner ermöglichen acht in gleichen Winkelabständen voneinander angeordnete sich axial er­ streckende Nuten 76 der Auskleidung 72 das Fließen des schmierenden Schlammes von einem Ende des Lagers zum anderen. Acht in gleichen Winkelabständen angeordnete, sich axial erstreckende Teile 78 sind zwischen diesen Nuten ausgebildet und dienen als radiale Lagerflächen für die Lagerung gegen die radiale Lagerfläche 65 oder 67 des ringförmigen Lagerteils 60 oder 62, das innerhalb des Lagers 56 oder 58 bei der Anordnung in Fig. 1 positioniert ist.

Zusätzlich sind in dem axialen Lagerteil 74 acht in gleichen Winkelabständen voneinander angeordnete radiale Ausnehmungen 80 ausgebildet, die über ein Ende der Schale 70 vorstehen, wobei die radiale Lage dieser Ausnehmungen 80 der radialen Position der axialen Nuten 76 entspricht. Acht in gleichen Winkelabständen angeordnete radiale Teile 82 sind zwischen den radialen Ausnehmungen 80 in radialen Positionen angeordnet, die den radialen Positionen der axialen Teile 78 entsprechen und axiale Lagerflächen bilden, die mit der axialen Lagerfläche 64 oder 66 des Lagerteils 60 oder 62 zusammenwirken, das innerhalb des Lagers 56 oder 58 bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 angeordnet ist.

Um die Lagereigenschaften der axialen Lagerflächen des in bezug auf das Lagerteil 60 oder 62 drehenden Lagers 56 oder 58 zu optimieren, ist es wichtig, daß die radialen Teile 82 ein kritisches Profil aufweisen, wie es am besten in Fig. 4 ersichtlich ist. Dieses Profil ist entworfen, um eine bevorzugte Kontaktdruckverteilung hervorzurufen, durch die das Lager eine Last aufnehmen kann, die bezeichnenderweise eine Größenordnung größer ist als sie mit einem Profil erreichbar wäre, das der Lagerfläche des zugehörigen Lagerteils 60 oder 62 genau angepaßt ist, d.h. eine ebene Fläche im Fall einer axialen Lagerfläche darstellt. Solch ein Profil stellt zusätzlich sicher, daß der Verschleiß der Oberfläche des Teils 82 nicht unange­ messen die Lagereigenschaften beeinträchtigt. Es ermög­ licht eine größere Verschleißtoleranz als ein ähnliches Lager mit üblichem (geometrisch entsprechendem) Profil, für das die Betriebseigenschaft von der Aufrechterhaltung des Eckenradius an der Einlaßseite des Profils, in Drehrichtung gesehen, abhängt.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß das bevorzugte Profil aus einem mittleren, nach außen gekrümmten Teil 84 von verhältnismäßig großem Krümmungsradius besteht, der in Umfangsrichtung an seinen beiden Enden in nach außen gekrümmte Teile 86 und 88 von verhältnismäßig kleinem Krümmungsradius übergeht, die wiederum in nach innen gekrümmten Teilen 90 und 92 von ebenfalls relativ kleinem Krümmungsradius auslaufen. Für ein optimales Betriebsver­ halten muß jedes Profilteil nicht notwendig in Form eines genau kreisförmigen Bogens vorliegen, und das Profil als Ganzes ist in bezug auf die Achse 94 nicht notwendi­ gerweise genau symmetrisch. In dem Fall, wo das Hülsen­ lager einen Außendurchmesser von etwa 65 mm, einen Innendurchmesser von etwa 45 mm und eine gesamte axiale Länge von etwa 35 mm aufweist, können der Teil 84 einen Krümmungsradius von 22,2 mm, die Teile 86 und 88 einen Krümmungsradius von 2,4 mm und die Teile 90 und 92 einen Krümmungsradius von 3,0 mm aufweisen. Beim Profil gemäß Fig. 4 betragen die Abstände D und d in bezug auf das Ende der Schale 70 etwa 4,7 mm bzw. 1,0 mm.

Die Form des Profils wird gewählt, um den mittleren Druck des Kontaktbereichs für einen gegebenen maximalen Druck zu maximieren und den Druckgradienten auf die Einlaßseite der Lagerfläche in Drehrichtung gesehen zu minimieren.

In der Regel weist der Teil 84 vorzugsweise einen Krümmungsradius im Bereich des 0,5- bis 1,5fachen des mittleren Radius der Hülse auf (das ist das Mittel der Innen- und Außenradien der Hülse) und hat einen Radius, der vorzugsweise annähernd gleich dem mittleren Radius der Hülse ist. Ferner haben die Teile 86 und 88 vorzugsweise einen Krümmungsradius im Bereich von 0,1 bis 0,5 und vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,3 des mittleren Hülsenradius, und der Abstand D (die sog. Polsterdicke) liegt vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 0,4 und besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,25 des mittleren Hülsenradius.

Bei einer Abänderung des oben beschriebenen Lagers ist die Innenseite der Schale 70 ebenfalls mit axialen Nuten versehen, die in ihrer Lage den axialen Nuten 76 in der Auskleidung 72 entsprechen, um die Bindung zwischen der Schale 70 und der Auskleidung 72 zu verbessern. Hierdurch wird eine radial unterbrochene ringförmige Fläche an dem Ende der Schale 90 zum Abstützen des axialen Lagerteils 74 geschaffen. Wahlweise kann an dem Ende der Schale 70 ein Flansch ausgeformt sein, der sich radial nach innen erstreckt, um das axiale Lagerteil 74 abzustützen.

Bei einer weiteren Abänderung ist die äußere Kante jedes radialen Teiles 82 in einer Weise abgefast, die bei 95 in den Fig. 5A und 5B gezeigt ist, um die Lagerfläche 96 des Teils 82 an ihrer Einlaßseite schmaler als an ihrer Auslaßseite in bezug auf die Richtung 99 zu machen, aus der der schmierende Schlamm zwischen die Lagerfläche 96 und die Lagerfläche des zugehörigen Lagerteils 60 oder 62 fließt. Dadurch wird ein Flüssigkeitskeil hervorgerufen, der eine positive hydrodynamische Wirkung an dem Außenum­ fang des Lagers hervorruft und zur Bekämpfung einer seitlichen Leckage des schmierenden Schlammes und durch die Zentrifugalkräfte hervorgerufener Verluste außerhalb der Hülse dient. Es ist ersichtlich, daß das Ausmaß der Kanellierung von der Einlaßseite zu der Auslaßseite hin abnimmt und daß Fig. 5B den mittleren Kanellierungsgrad zeigt.

Bei einer weiteren Abänderung sind sowohl die Außenkante als auch die Innenkante jedes radialen Teils 82 abgefast, wie bei 95 und 97 in Fig. 6A und 6B gezeigt ist. Es wird eine ähnliche Wirkung wie mit der Anordnung gemäß Fig. 5A und 5B mit der Ausnahme erreicht, daß in diesem Fall die hydxodyamische Wirkung auch am Innenumfang des Lagers vorgesehen ist, damit einer seitlichen Leckage zum Innern der Hülse hin vorgebeugt werden kann. In jedem Fall dient die Abfasung der Erhöhung der Filmdicke des schmierenden Schlamms zwischen der Lagerfläche 96 und der Lagerfläche des zugehörigen Lagerteils 60 oder 62, um eine wirksamere Schmierung des Lagers zu erreichen. Die in Fig. 6A gezeigte Lagerfläche 96 kann als ein Trapezoid angesehen werden, das verdreht wurde, so daß seine Mittellinie längs einer Kurve 98 verläuft und seine geneigten Seiten jeweils den Innen- und Außenumfang der Lagerfläche 96 bilden. Die Seiten des Trapezoids sind vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 3° bis 15° und am bevorzugtesten um etwa 5° zur Mittellinie des Trapezoids geneigt.

Obwohl die oben beschriebenen Lager bei Anordnungen beschrieben wurden, bei denen die Lagerhülse auf einem ortsfesten Träger gedreht wird, ist es ersichtlich, daß solche Lager auch bei Anordnungen verwendet werden könnten, bei denen die Lagerhülse ortsfest ist und eine Welle sich durch die Hülse erstreckt. Ferner könnten, obwohl die beschriebenen Lager Schaufelradlager sind, ähnliche Lagerhülsen bei Bohrlochmotoren benutzt werden.

Claims (10)

1. Lagerhülse, bestehend aus einer verhältnismäßig star­ ren ringförmigen Schale (70) und einer Auskleidung (72) aus elastomerem Material auf der Innenwand der Schale, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (72) sich über eines/jedes Ende der Schale (70) zur Bildung einer axialen Drucklagerfläche (82) axial erstreckt, die vor einem/jedem Ende der Schale angeordnet ist.

2. Lagerhülse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teile (74) der Auskleidung (72), die sich über das eine oder jedes Ende der Schale (70) hinaus er­ strecken, auf das Ende der Schale zur Abstützung durch das Ende der Schale herumgelegt ist.

3. Lagerhülse nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (74) der Auskleidung (72), das sich über das eine oder jedes Ende der Schale (70) hinaus erstreckt, aus einer Mehrzahl in gleichen Winkelabständen angeordneter Teile (82) besteht, die durch sich radial erstreckende Nuten (80) voneinander getrennt sind.

4. Lagerhülse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teil (82) ein Profil aufweist, das in Umfangsrichtung eine nach außen gekrümmte, axiale Drucklagerfläche bildet.

5. Lagerhülse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Drucklagerfläche (82) einen Krümmungs­ radius im Bereich des 0,5- bis 1,5fachen des mittleren Radius der Hülse hat.

6. Lagerhülse nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil jedes Teils (82) einen mittleren, nach außen gekrümmten Teil (84), der einen verhältnismäßig großen Krümmungsradius aufweist und eine axiale Drucklagerfläche bildet, sowie einen entsprechenden weiteren nach außen gekrümmten Teil (86, 88) umfaßt, der einen verhältnismäßig kleinen Krümmungsradius an jedem Ende des mittleren Teils (84) aufweist.

7. Lagerhülse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder weiter nach außen gekrümmte Teil (86, 88) einen Krümmungsradius im Bereich von 0,1 bis 0,5 des mittleren Radius der Hülse aufweist.

8. Lagerhülse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der Ausklei­ dung (72) aus einer Mehrzahl von in gleichen Winkelab­ ständen angeordneten, radialen Drucklagerteilen (78) besteht, die durch sich axial erstreckende Nuten (76) voneinander getrennt sind.

9. Lagerhülse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß axiale Nuten in der Innenwand der Schale (70) an den Stellen der axialen Nuten (76) in der Innenwand der Auskleidung (72) gebildet sind.

10. Lagerhülse, gekennzeichnet durch eine an einem oder jedem Ende der Hülse vorgesehene Mehrzahl von in gleichen Winkelabständen angeordneten vorstehenden Teilen (82), die axiale Drucklagerflächen bilden, welche durch sich radial erstreckende Nuten (80) voneinander getrennt sind, wobei jede Lagerfläche eine Einlaß- und eine Auslaßseite in bezug auf die Richtung (99) aufweist, aus der in Umfangsrichtung strömendes schmierendes Fluid über die in Benutzung befindliche Lagerfläche hinwegströmt, wobei die Lagerfläche schma­ ler an ihrer Einlaßseite als an ihrer Auslaßseite ist.