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Mehrstufige Axialturbine zum Antrieb von Erdtiefbohrern Zum Antrieb
von Erdtiefbohrern werden neben anderen Vorrichtungen auch Axialturbinen verwendet,
die, am Ende des Bohrrohres vor Ort dicht über dem Bohrer angeordnet, mit der Spülflüssigkeit
betrieben werden. Bei dem verhältnismäßig großen Betriebsdruck der Spülflüssigkeit
und den kleinen Abmessungen der Bohrturbine wird die Drehzahl bei Verwendung einstufiger
Turbinen so hoch, daß zwischen Turbine und langsam laufendem Bohrer ein Zahnradgetriebe
eingeschaltet werden muß. Dadurch leidet aber die Einfachheit der Vorrichtung, und
außerdem unterliegt das Zahnradgetriebe einem starken Verschleiß. Man hat daher
zur Verringerung der Turbinendrehzahl die vom Kreiselmaschinenbau her bekannte Mehrstufenbauart
angewendet und damit ganz brauchbare Ergebnisse erzielt.
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Für eine ausreichende Drehzahlverringerung ist fast immer die Verwendung
einer großen Anzahl von Stufen erforderlich, was wiederum eine große Baulänge und
hohe Anschaffungskosten der Turbine zur Folge hat. Man ging nämlich beim Bau solcher
mehrstufiger Turbinen bisher davon aus, aus Herstellungsgründen alle Leiträder und
ebenso alle Laufräder unter sich kongruent auszuführen. Das bedingt aber, da das
erste Leitrad für eine zur Umfangsrichtung senkrechte (axiale) Eintrittsgeschwindigkeit
ausgebildet und daher mit einem Leitschaufeleintrittswinkel von go° versehen ist,
auch für alle weiteren Turbinenstufen eine bei der normalen Drehzahl zur Umfangsgeschwindigkeit
senkrechte absolute Austrittsgeschwindigkeit aus den Laufrädern. Unter diesen Bedingungen
kann aber nicht die kleinstmögliche Umfangsgeschwindigkeit erreicht werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten nun die Lauf- und Leitschaufeln
der mehrstufigen Axialturbine eine derartige Form, daß bei normaler Drehzahl
sowohl
der Eintrittswinkel ß1 (Winkel zwischen Umfangsgeschwindigkeit u1 und Relativgeschwindigkeit
w1 am Laufradeintritt, und zwar der am Geschwindigkeitsdreieck innenliegende Winkel)
als auch der Austrittswinkel a2 (zwischen Absolutgeschwindigkeit c2 und Umfangsgeschwindigkeit
u2 am Laufradaustritt) größer sind als go°. Durch diese Ausbildung wird bei gleicher
Stufenzahl der Turbine eine weit geringere Umfangsgeschwindigkeit und Drehzahl oder
aber bei gleicher Drehzahl eine verringerte Stufenzahl erreicht. An Hand der Geschwindigkeitsdiagramme
in den Abb. i und 2 ist dies näher erläutert.
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Abb. i zeigt die Geschwindigkeitsdiagramme für den Laufradeintritt
und -austritt bisher üblicher Schaufelformen von Axialturbinen, wobei das Ein- und
Austrittsdreieck in der üblichen Weise zusammengezeichnet sind, da ja bei Axialturbinen
die Umfangsgeschwindigkeiten u1 und u2 am Ein- bzw. Austritt des Laufrades- auf
gleichen Durchmessern liegen und daher einander gleich sind. Charakteristisch für
die bekannten Schaufelformen sind der stumpfe Eintrittswinkel ß1 zwischen der Umfangsgeschwindigkeit
u1 und der relativen Eintrittsgeschwindigkeit w1 sowie der go° betragende Austrittswinkel
a2 zwischen der absoluten Austrittsgeschwindigkeit c2 und der Umfangsgeschwindigkeit
u2. Nun besteht nach der Eulerschen Gleichung (Hauptgleichung der Turbinentheorie)
zwischen den einzelnen Geschwindigkeiten, dem Nutzgefälle H (in unserem Falle also
dem in der betreffenden Laufradstufe verarbeiteten Nutzgefälle) und dem hydraulischen
Wirkungsgrad a der Turbine folgende Beziehung: ui* cul u2»Cu2=E*g*H, wobei unter
cul die Umfangskomponente der absoluten Eintrittsgeschwindigkeit cl und unter c,,
2 die der absoluten Austrittsgeschwindigkeit c2 zu verstehen ist. Da nach Abb.
I c", = o ist, vereinfacht sich für diesen Fall obige Beziehung auf
ui'cul=s'g'H. In Abb.2 ist das Diagramm einer erfindungsgemäßen Schaufelung im gleichen
Maßstab und mit den gleichen Umfangs- und Eintrittsgeschwindigkeiten wie in Abb.
i aufgezeichnet. Der den erfinderischen Fortschritt bedeutende Unterschied gegenüber
Abb. i liegt darin, daßdie absolüteAustrittsgeschwindigkeitc2 hier nicht mehr senkrecht
zur Umfangsgeschwindigkeit u2 gerichtet ist, sondern mit dieser einen Winkel a2
bildet, der wesentlich größer ist als go°, so daß also die absolute Austrittsgeschwindigkeit
c2 eine Umfangskomponente c" 2 entgegengesetzt derUmfangsgeschwindigkeit
u2 erhält. Die Eulersche Gleichung ul*cul-u2,Cu2=£»g.H vereinfacht sich, da u1 =
u2 ist und c", einen negativen Wert besitzt, auf .
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u1 @ (pul + Cu 2) = E @ g @ H , wobei das sich nach Abb. 2
ergebende Stufengefälle zum Unterschied gegen das der Abb. i mit H' bezeichnet sei.
Da für beide Beispiele die Geschwindigkeiten am Laufradeintritt (u1, u2 und c"l)
als gleich groß angenommen wurden und g und s konstant sind, ergibt sich, daß durch
die erfindungsgemäße Schaufel'ung ein um den Betrag
größeres Stufengefälle verarbeitet werden kann. Die Umfangskomponente c", der absoluten
Austrittsgeschwindigkeit c2 ist also ein Maß für die Vergrößerung des Stufengefälles.
Praktisch bedeutet das eine Verringerung der Stufenzahl bei gleicher Bohrerdrehzahl
und Leistung.
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Falls es erwünscht ist, kann die erfindungsgemäße Beschaufelung aber
auch für ein gleich großes Stufengefälle H' = H ausgelegt werden, woraus
sich dann bei gleicher Stufenzahl eine geringere Umfangsgeschwindigkeit und Drehzahl
als beim Beispiel i ergeben. Desgleichen sind außer den beiden Grenzfällen (Umfangsgeschwindigkeit
bzw. Stufengefälle konstant) auch beliebige Ausführungen möglich, bei denen sowohl
die Stufenzahl als auch die Drehzahl herabgesetzt werden.
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Um Stoßverluste weitgehendst zu vermeiden, werden die Eintrittswinkel
der Leitradschaufeln ebenso groß wie die Austrittswinkel a2 der absoluten Austrittsgeschwindigkeit
c2 des jeweils vorgeschalteten Laufrades bei normaler Drehzahl bemessen.
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Zur Vereinfachung der Herstellung, zur Einsparung von Modellen usw.
können in an sich bekannter Weise einerseits alle Laufräder und andererseits alle
Leiträder mit Ausnahme des Ein- und Austrittsleitrades mit gleichen Schaufelprofilen
ausgeführt werden. Man kann sogar noch weitergehen und die Schaufelprofile der Laufräder
und der Leiträder (mit Ausnahme des bereits genannten Ein- und Austrittsleitrades)
außerdem zueinander spiegelbildlich Bleichgestalten. Das Geschwindigkeitsdiagramm
nach Abb.2 nimmt in diesem Fall eine symmetrische Form an, wobei dann die Winkel
ß1 = a2 und ß2 = a1 sind.
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Das Ein- und das Austrittsleitrad werden erfindungsgemäß abweichend
von den übrigen Leiträdern ausgebildet, und zwar so, daß beim Eintrittsleitrad der
Eintrittswinkel und beim Austrittsleitrad der Austrittswinkel etwa go° betragen.
Dadurch wird das in axialer Richtung eintretende Medium stoßfrei in die erforderliche
Richtung a1 umgelenkt bzw. das unter dem Winkel a2 aus dem letzten Laufrad austretende
Medium in die erwünschte axiale Austrittsrichtung gebracht.
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Unter Umständen kann es zulässig sein, das Austrittsleitrad ganz wegzulassen
und für das Eintrittsleitrad das gleiche Schaufelprofil wie für die übrigen Leiträder
zu verwenden. Dies ergibt wohl wesentliche Vereinfachungen, doch darf nicht außer
acht gelassen werden, daß die besten Wirkungsgrade nur dann erreicht werden können,
wenn das Eintritts- und Austrittsleitrad die vorbeschriebenen richtigen Profile
besitzen.-In Abb. 3 der Zeichnung ist der Beschaufelungsplan einer gemäß der Erfindung
ausgebildeten mehrstufigen Bohrturbine dargestellt.
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Die Turbine hat vier Laufräder i bis q. und fünf Leiträder ii bis
15 mit je gleichen Schaufelprofilen.
Außerdem ist die Schaufelung
der Laufräder i bis q. zu der der Leiträder 12 bis 1q. spiegelbildlich gleich ausgebildet,
d. h. der Eintrittswinkel ß1 der Laufschaufeln und der Eintrittswinkel a2 der Leitschaufeln
sind einander gleich, ebenso der Austrittswinkel ß2 der Laufschaufeln und der Austrittswinkel
a1 der Leitschaufeln.
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Die Schaufeln des Eintrittsleitrades ii besitzen infolge der axial
gerichteten Zuströmung der Spülflüssigkeit zu diesem Leitrad in Abweichung von den
übrigen Leiträdern einen rechtwinkligen Eintritt, damit hier keine Stoßverluste
entstehen. Auch 'die Schaufelung des Austrittsleitrades 15 hat als Nachleitrad zum
letzten Laufrad q. eine erfindungsgemäß von den übrigen Leiträdern i2 bis 1q. abweichende
Schaufelung, weil es dazu bestimmt ist, die mit der absoluten Austrittsgeschwindigkeit
c2 geneigt zur Turbinenachse aus dem letzten Laufrad austretende Flüssigkeit in
die axiale Richtung umzulenken und deren radiale Umfangskomponente noch zur Arbeit
auszunutzen.