DE4141851A1 - Untertage-bohrmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bohrmotor für Untertage­ einsätze.

Untertage-Bohrmotoren sehen einen direkten Meißelantrieb beim gerichteten Bohren oder Tiefbohren vor, wobei Bohrflüssig­ keit durch den Motor gepumpt wird. Der Arbeitsbereich des Motors umfaßt ein äußeres Gehäuse mit einem darin angebrachten mehrlappigen Stator und einem innerhalb des Stators angeord­ neten mehrlappigen Rotor. Üblicherweise hat der Rotor einen Lappen weniger als der Stator um Pumprotation zu erleichtern. Der Rotor und der Stator greifen an Flächen miteinander ein, die in Gestalt schraubenförmiger Lappen geformt sind, um eine Abdichtungsfläche zu bilden, auf welche die Bohrflüssigkeit zum Antreiben des Rotors innerhalb des Stators einwirkt. Bei früheren Systemen ist einer der beiden Elemente Stator/Rotor aus einem elastomeren Material hergestellt worden, um eine Ab­ dichtung dazwischen aufrechtzuerhalten.

Bei der gegenwärtigen Konstruktion von Statoren geht das Elasto­ mer kontinuierlich von der inneren schraubenförmigen Fläche zu der äußeren zylindrischen Fläche durch, welche mit dem Außengehäuse des Motors verbunden ist. Wegen der Unterschiede in der Dicke des elastomeren Materials vorbekannter Statoren erfordert die Auswahl der physikalischen Eigenschaften des Elastomers einen Kompromiß zwischen einem Hochmodul-Rohr um die Gestalt der Lappen unter Betriebsbeanspruchungen zu be­ wahren und der Notwendigkeit eine zufriedenstellende Abdichtung zwischen der inneren Fläche des Stators und der äußeren Fläche des Rotors herbeizuführen. Wenn der Rotor innerhalb des Stators rotiert und präzediert wird eine Abdichtung an jedem Berührungs­ punkt gebildet. Es ist jedoch schwierig zufriedenstellende elastomere Formen herzustellen, welche steif genug sind, um eine Deformation der Statoroberfläche zu verhindern. Falls das Meißeldrehmoment das durch den Motor entwickelte hydraulische Drehmoment übersteigt, während der Bohrstrang gedreht wird, überläuft der Stator den Rotor unter Beschädigung des Elastomers. Weiterhin entwickelt ein unterschiedlich dickes Elastomer Wärme in dem Kern, welche zu vorzeitiger Verschlechterung der Material­ eigenschaften führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen verbesserten Untertage-Bohrmotor vorzuschlagen, der eine zuverlässige Abdichtung zwischen Rotor und Stator vorsieht und bei dem der Stator dennoch auch unter Betriebsbedingungen formbeständig ist.

Die gestellte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 1, 7 und 11 gelöst. Vor­ teilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben und nachstehend erläutert.

Die vorliegende Erfindung beseitigt die Nachteile der bisher bekannten Bohrmotoren durch Anwendung eines starren Stator­ körpers, welchem eine gleichmäßige Dicke eines elastomeren Materials angeformt ist, wodurch die Abdichtungseigenschaften der Teile verbessert werden, während auch der Stator für die Übertragung erhöhter Drehkräfte ausgesteift wird.

Der Bohrmotor entsprechend der vorliegenden Erfindung schließt ein elastomeres Material von etwa gleichmäßiger Dicke ein, das entweder dem Stator oder dem Rotor des Motors angeformt ist. Auf diese Weise wird das Elastomer rückseitig unterstützt durch eine starre Oberfläche, um Deformation und Abbau zu verhindern, wodurch die Betriebsleistungen maximiert werden. In einer be­ vorzugten Ausführungsform wird ein metallischer Statorkörper in das Motorgehäuse eingesetzt, um den Betrag der Drehkraft zu erhöhen, der zu übertragen ist ohne Scheren des Elastomers oder eine ernsthafte Deformation der Geometrie des Stators. Das Elastomer wird direkt an den Statorkörper in einer gleich­ mäßigen Dicke angeformt. Die Dicke des Elastomers kann nach Maßgabe der Verwendung variiert werden. Zusätzlich kann zur Stützung der Raum zwischen dem Statorkörper und dem Außen­ gehäuse mit einem zusätzlichen Elastomer oder Harz gefüllt werden.

Im Falle des Rotors wird das Elastomer ebenfalls der Rotor­ oberfläche in einer angenähert gleichmäßigen Dicke angeformt, und arbeitet mit einem metallischen Stator zusammen. Wie bei dem Stator wird das Elastomer für eine verbesserte Arbeitsweise gestützt durch die geformten Lappen des metallischen Rotorkerns. Das Elastomer kann über den Rotor gegossen oder extrudiert sein. Es ist auch vorgesehen, ältere Rotoren durch Aufbringung einer dünnen Schicht eines Elastomers zu reparieren um damit irgend­ welche Unregelmäßigkeiten zu beseitigen.

In einer alternativen Ausführungsform kann der mit Elastomer beschichtete Rotor oder Stator in einer Pumpe für die Förderung von Flüssigkeiten, beispielsweise einer Sumpfpumpe, verwendet werden. Der Rotor wird hierbei mechanisch innerhalb des Stators angetrieben, um die Flüssigkeit durch die Kammer zu pumpen. Auch hier verbessert eine entweder am Rotor oder Stator vorge­ nommene elastomere Beschichtung den Abdichtungskontakt, während die starre für das Elastomer vorgesehene Unterstützung die Scherfestigkeit der Lappen verbessert.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnungen näher erläutert, in welchen gleiche Bezugszahlen sich auf ähnliche Teile in den Darstellungen beziehen und in welchen

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Bohr­ motors, der eine Verbundstator­ konstruktion einschließt, und

Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer alter­ nativen Ausführungsform des Bohr­ motors mit einem elastomerbeschich­ teten Rotor ist.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt des Antriebsabschnitts 12 eines Untertage-Bohrmotors 10 dargestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Motor 10 eine mehr­ lappige Anordnung, die zum Antrieb von Bohrwerkzeugen und ähn­ lichem durch Hindurchpumpen von Bohrflüssigkeit durch den An­ triebsabschnitt 12 des Motors 10 verwendet wird. Derartige Un­ tertage-Bohrmotoren 10 werden üblicherweise verwendet, um einen direkten Antrieb von Bohrwerkzeugen bei gerichteten und horizontalen Bohroperationen vorzusehen. Der Untertage-Ver­ drängungsmotor 10 der vorliegenden Erfindung ist zur Erzeugung eines hohen Drehmoments bei niedrigen Drehzahlen ohne Defor­ mation der Geometrie des Stator/Rotor-Antriebs 12 befähigt. Wie es für derartige Motoren 10 typisch ist, setzt der Stator/ Rotor-Antrieb 12 die Flüssigkeitsenergie der Bohrflüssigkeit zum Drehen des Bohrmeißels in eine drehende und präzessionale Bewegung um.

Der Antriebsabschnitt 12 des Motors 10 schließt ein Außenge­ häuse 14 ein, in welchem ein starrer Statorkörper 16 angeord­ net ist. Der Statorkörper 16 besitzt eine schraubenförmige, mehrlappige Konfiguration. Im Gegensatz zu den vorbekannten Statorkonstruktionen, welche vollständig aus einem Elastomer geformt sind, ist der erfindungsgemäße Statorkörper 16 zur Er­ zielung einer verbesserten Festigkeit aus einem starren Material gebildet, beispielsweise aus Metall. Der starre Statorkörper 16 besitzt eine gleichmäßige Dicke und erzeugt schraubenförmige Zwischenräume 18 zwischen dem Außengehäuse 14 und dem Stator­ körper 16. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die schraubenförmigen Zwischenräume 18 mit einem Elasto­ mer oder einem anderen Harz gefüllt sein, um eine zusätzliche Abstützung des Statorkörpers 16 vorzusehen. Der Statorkörper 16 ist innerhalb des Gehäuses 14 so befestigt, daß die Bohr­ flüssigkeit durch den Statorkörper 16 fließt.

Ein mehrlappiger schraubenförmiger Rotor 20 ist innerhalb des Statorkörpers 16 darin drehbar angeordnet, wenn Bohrflüssig­ keit durch den Statorkörper 16 gepumpt wird, um den Bohrmeißel anzutreiben. Der Rotor 20 besitzt einen Lappen weniger als der Statorkörper 16, um eine Drehung und Präzession des Rotors 20 innerhalb des Motors 10 zu ermöglichen. Wie der Statorkörper 16 ist der Rotor 20 aus Metall mit mehrlappiger schrauben­ förmiger Konfiguration hergestellt.

Zur Bildung der notwendigen Abdichtung zwischen dem Stator und dem Rotor zur Erzeugung der Strömungskammern, durch welche die Bohrflüssigkeit zum Antrieb des Rotors 20 gepumpt wird, muß entweder der Statorkörper 16 oder der Rotor 20 eine elastomere Schicht zur Bereitstellung eines gegenseitigen Abdichtungsein­ griffs enthalten. In einer ersten Ausführungsform ist eine Innenfläche 22 des Statorkörpers 16 mit einem elastomeren Material 24 von etwa gleichmäßiger Dicke versehen, welches an den Rotor 20 abdichtend angreift, wenn dieser darin rotiert. Abweichend von den vorbekannten elastomeren Statoren, bei wel­ chen die Dicke des Elastomers entsprechend der Geometrie des Stators schwankt, sieht die gleichmäßige Dicke der von dem metallischen Statorkörper 16 getragenen elastomeren Schicht 24 eine bessere Wärmeverteilung vor. Der die elastomere Schicht 24 stützende Statorkörper 16 erlaubt auch die Verwendung eines weicheren Elastomers für eine verbesserte Abdichtung mit dem Rotor 20. Jedoch hält die Steifheit des Statorkörpers 16 die Form der Statorlappen aufrecht, wodurch ein größerer Drehkraft­ betrag ermöglicht wird, der ohne Abscheren der Lappen 26 oder ernsthafte Verformung der inneren Geometrie zu übertragen ist. Dementsprechend kann sich der Verbundstator nicht genügend bie­ gen, um dem Rotor 20 das Überlaufen der Lappen 26 in dem Fall zu ermöglichen, wenn das Meißeldrehmoment das von dem Motor 20 erzeugte hydraulische Drehmoment übersteigt, während der Bohr­ strang gedreht wird.

In einer alternativen Ausführungsform wird anstelle der An­ bringung des elastomeren Materials an dem Statorkörper 16 das Elastomer an der äußeren schraubenförmigen Fläche 28 des Rotors 20 angebracht, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Auch hier wird ein abdichtender Eingriff zwischen dem Rotor 20 und dem Stator 16 gebildet, wenn sich der Rotor 20 innerhalb des Motors 10 dreht. Die gelappte Geometrie des Rotors 20 sieht eine Stützung für das Elastomer zur Verhinderung von Deformationen vor. Die Auf­ bringung des Elastomers über den Rotor 20 kann verwendet wer­ den, um abgenutzte oder beschädigte Rotoren durch Aufbringung einer dünnen gleichmäßigen Elastomerschicht wiederherzustellen.

Es ist beabsichtigt, daß das Elastomer entweder auf den Rotor 20 oder den Statorkörper 16 auf jede Weise aufgebracht wird, einschließlich des Extrudierens des Elastomers direkt auf die metallische Fläche oder der Bildung einer elastomeren Hülse, welche mit der dafür vorgesehenen Fläche verbunden wird. Zu­ sätzliche Methoden für die Anbringung eines Elastomers gleicher Dicke können geeignet sein.

Erfindungsgemäß ist auch beabsichtigt, daß die Verbundrotor- oder -statorkonstruktion verwendet wird bei Bohrmotoren und Pumpen für die Förderung von Flüssigkeiten. Bei einer Pumpe kann entweder der Stator oder der Rotor das angetriebene Glied sein, um die Flüssigkeitspumpkammer zu bilden. Das auf den starren Statorkörper oder Rotor aufgebrachte Elastomer sieht eine verbesserte Abdichtungs- und Pumpwirkung vor, während die Starrheit der Teile höhere Drehmomente für erhöhte Flüssigkeits­ förderung ermöglicht.

Claims (13)

1. Untertage-Bohrmotor für den Antrieb von Bohrwerk­ zeugen, gekennzeichnet durch
ein Gehäuse (14) mit einem Einlaßende und einem Auslaß­ ende, durch welches Bohrflüssigkeit für die Aktivierung des Bohrmotors (10) gepumpt wird,
einen innerhalb des Gehäuses (14) angeordneten zu­ sammengesetzten Stator mit einem Einlaß und einem Auslaß, die mit dem Einlaßende bzw. dem Auslaßende des Gehäuses (14) kommu­ nizieren, wobei der Stator einen starren Statorkörper (16) mit einer schraubenförmigen Konfiguration und ein elastomeres Material (24) einschließt, das an einer Innenfläche (22) des Statorkörpers (16) angebracht ist, um eine innere Dichtfläche für den zusammengesetzten Stator zu bilden, und
einen schraubenförmigen, drehbar in dem zusammenge­ setzten Stator angeordneten Rotor (20), welcher an die elasto­ mere Fläche der Statorkonstruktion abdichtend angreift, um mindestens einen Flüssigkeitsraum zu bilden, durch welchen Bohr­ flüssigkeit gepumpt wird, um den Rotor (20) innerhalb des zu­ sammengesetzten Stators und dadurch das Bohrwerkzeug drehend anzutreiben.

2. Bohrmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Material (24) an der Innenfläche (22) des Statorkörpers (16) in einer gleichmäßigen Dicke entlang der Innenfläche (22) angebracht ist, und daß der Statorkörper (16) der elastomeren Schicht festen Halt bietet.

3. Bohrmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Mehrzahl von schraubenförmigen Zwischenräumen (18) zwischen dem Statorkörper (16) und dem Gehäuse (14) ge­ bildet ist.

4. Bohrmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenförmigen Zwischenräume (18) zwischen dem Statorkörper (16) und dem Gehäuse (14) zur zu­ sätzlichen Abstützung des zusammengesetzten Stators mit einem elastischen Material gefüllt sind.

5. Bohrmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichmäßige elastische Schicht als schraubenförmige Hülse ausgebildet ist, die an der Innenfläche (22) des Statorkörpers (16) angebracht ist.

6. Bohrmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichmäßige elastomere Schicht über die Innenfläche (22) des Statorkörpers (16) extrudiert ist.

7. Untertage-Bohrmotor für den Antrieb von Bohrwerk­ zeugen, gekennzeichnet durch
ein Gehäuse (14) mit einem Einlaßende und einem Aus­ laßende, durch welches Bohrflüssigkeit für die Aktivierung des Bohrmotors (10) gepumpt wird,
einen starren Statorkörper (16) mit einer schrauben­ förmigen Konfiguration, die eine schraubenförmige Innenfläche (22) einschließt, wobei der Statorkörper (16) innerhalb des Gehäuses (14) befestigt ist, und wobei Bohrflüssigkeit durch den Statorkörper (16) gepumpt wird, und
einen Rotor (20), der mit einer schraubenförmigen Außenfläche (28) versehen und in dem Statorkörper (16) drehend angeordnet ist, wenn Bohrflüssigkeit durch das Gehäuse (14) fließt um das Bohrwerkzeug anzutreiben,
wobei eine der schraubenförmigen Flächen, die Innen­ fläche (22) des Statorkörpers (16) oder die Außenfläche (28) des Rotors (20), eine gleichmäßige Dicke eines elastomeren Materials aufweist, das daran für den abdichtenden Angriff an die jeweils andere schraubenförmige Fläche (28, 22) so ange­ bracht ist, daß der abdichtende Angriff mindestens einen Flüssig­ keitsraum bildet, durch welchen Bohrflüssigkeit gepumpt wird, um den Rotor (20) innerhalb des Statorkörpers (16) und da­ durch das Bohrwerkzeug drehend anzutreiben.

8. Bohrmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Material eine schraubenförmige Hülse bildet, die mit einer der schraubenförmigen Flächen (22, 28) des Stator­ körpers (16) und des Rotors (20) verbunden ist.

9. Bohrmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Material über eine der schraubenförmigen Flächen (22, 28) des Statorkörpers (16) und des Rotors (20) extrudiert ist.

10. Bohrmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere schraubenförmige Zwischenräume (18) zwischen dem Statorkörper (16) und dem Gehäuse (14) ge­ bildet sind, die zur Abstützung des Statorkörpers (16) mit einem elastomeren Material gefüllt sind.

11. Untertage-Bohrmotor für den Antrieb von Bohrwerk­ zeugen, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (14) mit einem Ein­ laßende und einem Auslaßende, durch welches Bohrflüssigkeit für die Aktivierung des Bohrmotors (10) gepumpt wird, einen starren Statorkörper (16) mit einer schraubenförmigen eine schraubenförmige Innenfläche (22) einschließenden Konfiguration, der innerhalb des Gehäuses (14) so befestigt ist, daß Bohr­ flüssigkeit durch den Statorkörper (16) gepumpt wird, und ei­ nen schraubenförmigen Rotor (20), der drehbar in dem Stator­ körper (16) angeordnet ist und eine schraubenförmige Außen­ fläche (28) aufweist, wobei an einer der schraubenförmigen Flächen (22, 28) des Statorkörpers (16) und des Rotors (20) ein elastomeres Material (24) so angebracht ist, daß ein ab­ dichtender Eingriff zwischen der elastischen Fläche und der jeweils anderen schraubenförmigen Fläche (28, 22) des Stator­ körpers (16) und des Rotors (20) gebildet ist, wodurch min­ destens ein Flüssigkeitsraum erzeugt ist, durch welchen Bohr­ flüssigkeit gepumpt wird, um den Rotor (20) innerhalb des Ge­ häuses (14) und dadurch das Bohrwerkzeug drehend anzutreiben, und wobei das elastomere Material (24) eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke aufweist, um eine schraubenförmige Dicht­ fläche zu bilden.

12. Bohrmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere von schraubenförmigen Zwischenräumen (18) zwischen dem Statorkörper (16) und dem Gehäuse (14) gebildet sind, die zur zusätzlichen Abstützung des Statorkörpers (16) mit einem elastomeren Harz gefüllt sind.

13. Bohrmotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elastomere Material (24) eine schrauben­ förmige Hülse bildet, die mit einer der schraubenförmigen Flächen (22, 28) des Statorkörpers (16) und des Rotors (20) verbunden ist.