DE4141851C2 - Untertage-Bohrmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Untertage-Bohrmotor entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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 Hochmodulwert 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 ela­ stomere Formen herzustellen, welche steif genug sind, um eine Deformation der Statoroberfläche zu verhindern. Falls das Mei­ ßeldrehmoment das durch den Motor entwickelte hydraulische Dreh­ moment übersteigt, während der Bohrstrang gedreht wird, über­ läuft der Stator den Rotor unter Beschädigung des Elastomers. Weiterhin entwickelt ein unterschiedlich dickes Elastomer Wärme in dem Kern, welche zu vorzeitiger Verschlechterung der Materialeigenschaften führt.

Bei bekannten Untertage-Bohrmotoren der eingangs angegebenen Gattung (US 4 676 725, US 4 265 323) sind zwar Rotor oder Stator nicht mehr durchgehend aus einem elastomeren Material herge­ stellt, sondern an der Innenfläche des Stators (US 4 676 725) bzw. an der Außenfläche des Rotors (US 4 265 323) ist nur eine Schicht eines elastomeren Materials angebracht, die von dem fe­ sten Stator- bzw. Rotorkörper gestützt ist. Jedoch ist bei bei­ den bekannten Untertage-Bohrmotoren nicht nur die Schicht des elastomeren Materials umfänglich von unterschiedlicher Wand­ dicke, auch die Statorkörper besitzen Wände unterschiedlicher Dicke, wobei in dem einen Fall (US 4 676 725) der Rotor aus vol­ lem Material besteht und in dem anderen Fall (US 4 265 323) sehr dickwandig und von nicht gleichbleibender Wanddicke ist. Infolge der unterschiedlichen Wanddicken der elastomeren Schicht ist das Verformungsverhalten der Schicht und damit die Abdichtwirkung zwischen Rotor und Stator nicht an allen Stellen des Umfangs gleichbleibend. Die bekannten Konstruktionen sind außerdem schwer und von ungleichmäßiger Wärmeverteilung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Un­ tertage-Bohrmotor der eingangs angegebenen Gattung vorzuschla­ gen, der eine zuverlässige Abdichtung zwischen Rotor und Stator vorsieht, der von vergleichsweise niedrigem Gewicht ist, dessen Stator dennoch auch unter Betriebsbedingungen formbeständig ist und der eine gute Wärmeverteilung aufweist.

Die gestellte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und nachstehend ebenfalls erläutert.

Der erfindungsgemäße Untertage-Bohrmotor zeichnet sich dadurch aus, daß der Statorkörper und der Rotor jeweils Wände gleich­ bleibender Dicke aufweisen, daß zwischen dem Statorkörper und dem Gehäuse eine Mehrzahl von schraubenförmigen Zwischenräumen gebildet sind, daß der Rotor einen hohlen Innenraum aufweist und daß die Schicht elastomeren Materials mit im wesentlichen gleichbleibender Dicke an der Innenfläche des Statorkörpers oder der Außenfläche des Rotors angebracht ist.

Durch diese Ausbildung werden die Abdichtungseigenschaften der Teile verbessert, während auch der Stator für die Übertragung erhöhter Drehmomente ausgesteift wird. Die Schicht des elastome­ ren Materials wird in jedem Falle rückseitig unterstützt durch eine starre Oberfläche, um Deformation und Abbau zu verhindern, wodurch die Betriebsleistungen verbessert werden. Die gleich­ bleibenden Wanddicken von Rotor, Stator und elastomerer Schicht ermöglichen eine gleichmäßige Wärmeverteilung. Bei Verwendung eines metallischen Statorkörpers können hohe Drehmomente übertragen werden, ohne Scheren des Elastomers oder nennenswerte Deformation der Geometrie des Statorkörpers. Das Elastomer wird direkt an den Statorkörper oder den Rotor in einer gleich­ mäßigen Dicke angeformt. Die Dicke der elastomeren Schicht kann nach Maßgabe der Verwendung variiert werden. Zusätzlich kann zur Stützung der Raum zwischen dem Statorkörper und dem Außen­ gehäuse mit einem elastischen Material oder Harz gefüllt werden.

Die Schicht des elastomeren Materials kann über den Rotor oder den Statorkörper gegossen oder extrudiert sein. Auch ältere Rotoren können durch Aufbringung einer dünnen Schicht eines Elastomers repariert werden um damit irgend­ welche Unregelmäßigkeiten zu beseitigen.

Der mit einem Elastomer beschichtete Rotor oder Stator kann auch 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 Rohr­ 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.

Das Elastomer kann entweder auf den Rotor 20 oder den Statorkörper 16 auf jede Weise aufgebracht werden, einschließlich des Extrudierens des Elastomers direkt auf die metallische Fläche oder der Bildung einer elastomeren Hülse, welche mit der dafür vorgesehenen Fläche verbunden wird.

Die Verbundrotor- oder -statorkonstruktion kann bei Bohrmotoren und Pumpen für die Förderung von Flüssigkeiten verwendet werden. 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 (5)

1. Untertage-Bohrmotor für den Antrieb von Bohrwerkzeugen, umfas­ send ein Gehäuse (14) mit einem Einlaßende und einem Auslaß­ ende, durch welches Bohrflüssigkeit für die Aktivierung des Bohrmotors (10) gepumpt wird, einen starren Statorkörper (16) von mehrlappiger Querschnitts-Konfiguration, dessen Lappen schraubenförmig geformt sind und der so in dem Gehäuse (14) be­ festigt ist, daß die Bohrflüssigkeit durch den Statorkörper (16) gepumpt wird, und einen innerhalb des Statorkörpers (16) drehbar angeordneten Rotor (20) von ebenfalls mehrlappiger Querschnitts-Konfiguration, dessen Lappen ebenfalls schrauben­ förmig geformt sind und mit den Lappen des Statorkörpers (16) unter Zwischenlage einer Schicht (24) eines elastomeren Materials abgedichtet eingreift für den Antrieb des Rotors (20) innerhalb des Stator­ körpers (16) durch die Bohrflüssigkeit, um dadurch das Bohrwerkzeug drehend anzutreiben, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkörper (16) und der Rotor (20) jeweils Wände gleichbleibender Dicke aufweisen, daß zwischen dem Statorkörper (16) und dem Gehäuse (14) eine Mehrzahl von schraubenförmigen Zwischenräumen (18) gebildet sind, daß der Rotor (20) einen hohlen Innenraum aufweist, und daß die Schicht (24) elastomeren Materials mit im wesentlichen gleichbleibender Dicke an der Innenfläche des Statorkörpers (16) oder der Außenfläche des Rotors (20) an­ gebracht ist.

2. Bohrmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenförmigen Zwischenräume (18) zwischen dem Statorkörper (16) und dem Gehäuse (14) zur zu­ sätzlichen Abstützung des Statorkörpers (16) mit einem elastischen Material gefüllt sind.

3. Bohrmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (24) elastomeren Materials als schraubenförmige Hülse ausgebildet ist, die an der Innenfläche (22) des Statorkörpers (16) oder der Außenfläche des Rotors (20) angebracht ist.

4. Bohrmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (24) elastomeren Materials über die Innenfläche (22) des Statorkörpers (16) oder die Außenfläche des Rotors (20) extrudiert ist.

5. Bohrmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenförmigen Zwischenräumen (18) zwischen dem Statorkörper (16) und dem Gehäuse (14) mit einem elastomeren Harz gefüllt sind.