EP0264444A1 - Downhole screw motor - Google Patents

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EP0264444A1
EP0264444A1 EP86901283A EP86901283A EP0264444A1 EP 0264444 A1 EP0264444 A1 EP 0264444A1 EP 86901283 A EP86901283 A EP 86901283A EP 86901283 A EP86901283 A EP 86901283A EP 0264444 A1 EP0264444 A1 EP 0264444A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
receiving chamber
nozzle
chamber
rod
flow
Prior art date
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Granted
Application number
EP86901283A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0264444B1 (en
EP0264444A4 (en
Inventor
Dmitry Fedorovich Baldenko
Leonid Anatolievich Kondratenko
Valery Igorievich Semenets
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
VSESOJUZNY NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY INSTITUT BUROVOI TEKHNIKI
Original Assignee
VSESOJUZNY NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY INSTITUT BUROVOI TEKHNIKI
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Filing date
Publication date
Application filed by VSESOJUZNY NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY INSTITUT BUROVOI TEKHNIKI filed Critical VSESOJUZNY NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY INSTITUT BUROVOI TEKHNIKI
Priority to AT86901283T priority Critical patent/ATE65583T1/en
Publication of EP0264444A1 publication Critical patent/EP0264444A1/en
Publication of EP0264444A4 publication Critical patent/EP0264444A4/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0264444B1 publication Critical patent/EP0264444B1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C15/00—Component parts, details or accessories of machines, pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C2/00 - F04C14/00
    • F04C15/06—Arrangements for admission or discharge of the working fluid, e.g. constructional features of the inlet or outlet
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/02—Fluid rotary type drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C14/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations
    • F04C14/24—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations characterised by using valves controlling pressure or flow rate, e.g. discharge valves or unloading valves

Definitions

  • the invention relates to positive displacement machines, and in particular relates to a screw-type borehole sole motor.
  • Two fundamentally different methods are currently used to drill holes.
  • One of these methods is rotary drilling, in which the drive of a rock destruction tool, namely a drill bit, is arranged on the surface of the day and the rotation of the drill bit is brought about by means of a drill pipe.
  • the second method is the use of hydraulic bottom hole motors, which are mounted directly above the drill bit, as a drive.
  • the drill pipe is arranged stationary.
  • the second method has a number of obvious advantages, e.g. it eliminates the energy required to rotate the drill string, reduces the stresses on the drill string and accordingly reduces the number of breakdowns in the well.
  • Screw-type borehole motors are widely used among all types of hydraulic borehole bottom motors that are currently used for drilling wells. These motors are characterized by simple operation and simple operation as well as small external dimensions and can be used with drilling fluids of different densities and viscosities are operated (Gusman MT, Valdenko DF and others "screw-downhole sole motors for drilling holes", 19d1, Nedra, Moscow).
  • Such hydraulic machines usually contain a housing, a drive shaft with radial and axial bearings and working elements, which consist of two elements, one with rubber over drawn Bucnse, namely a stator with internal screw teeth and a shaft arranged within the stator, namely a rotor with external screw teeth.
  • the number of teeth on the bushing exceeds the number of teeth on the shaft by one, which, when interacting, ensures that the interior of the working elements is divided into high-pressure and low-pressure chambers when a liquid is pumped through the working elements.
  • the rotor Under the influence of the pressure drop that arises, the rotor begins to move relative to the stator, the rotor axis describing a circle around the stator axis. This rotation is transmitted to the drive shaft of the engine.
  • a liquid flow usually serves as the energy source for the operation of the motor; the hydraulic machine can also be operated with liquid saturated with air or with compressed air.
  • Screw-type borehole sole motors are currently used for drilling holes, in which the entire flow of the operating fluid to be supplied is conducted between the stator and the rotor.
  • nozzles of the conoid-shaped type (SU author's certificate no. 436595, Kl. E 21B 4/00, 1972) are installed in the axial channel of the rotor, through which the flow of the operating liquid is throttled.
  • the present invention has for its object to provide such a screw-bottom motor, in which the construction of the regulator for regulating the operating fluid flow enables the operating values of the torque and the speed on the drive shaft of the motor at a practically unchangeable speed of the drive shaft in idle mode to increase.
  • the object is achieved in that in a borehole sole motor containing a spindle unit and a drive unit, the working elements - a stator and a rotor designed as a hollow body - has in its axial channel connected to the high pressure area of the operating fluid a controller for regulating the fluid flow is attached with a nozzle, according to the invention the nozzle has two successively arranged chambers in the flow direction of the operating fluid, namely a receiving and a dispensing chamber, the surfaces of which are to be flushed with the operating fluid are coupled via a break line, the annular section adjoining the break line Receiving chamber relative to the flow direction of the Operating fluid is convex, and the cross-sectional area of the receiving chamber at the outlet is smaller than the cross-sectional area at the inlet.
  • the present invention makes it possible to increase the operating values of the torque and the speed of the drive shaft of the motor and thereby to increase the effectiveness of the drilling of bores.
  • the jets are torn off at the break line, whereby a powerful vortex is formed in the receiving chamber, the energy of which increases with the increase in the pressure drop, causing an increase in the flow resistance of the nozzle and an increase in the flow rate of the liquid passing between the rotor and the stator.
  • the controller in the embodiment according to the invention is very compact in construction, can be easily installed in any motor and can be replaced without disassembling the hydraulic machine.
  • the nozzle consists of two elements: a bushing and a rod arranged inside this bushing, the receiving and dispensing chambers being formed by the surfaces of the bushing and the rod and having an annular shape.
  • the rod is cylindrical and the bushing is provided on the inner surface with an annular projection which forms a convex section of the surface of the receiving chamber.
  • the bush is cylindrical, while the rod is provided with an annular projection which forms a convex section of the surface of the receiving chamber.
  • annular projections are present on the bushing and the rod, each approach forming a convex section of the surface of the receiving chamber.
  • All variant embodiments of the invention make it possible to increase the "rigidity" of the characteristic curve and to reduce the dependence of the speed on the load on the output shaft. This is achieved by d ate the current flowing through the curvilinear surface of the receiving chamber jets of liquid at the line of weakness to be torn down and form a space with an intensive vortical motion.
  • nozzles are expediently arranged in succession in the axial channel. The operation of the entire device remains unchanged.
  • the screw-type borehole sole motor (FIG. 1) contains a drive unit 1 and a spindle unit 2.
  • the drive unit 1 comprises working elements - a stator 3 and a rotor 4 designed as a hollow body, which is accommodated in the stator 3.
  • a regulator 6 for regulating the liquid flow is mounted in an axially continuous channel 5 of the rotor 4 which is connected to the high-pressure region of the operating liquid.
  • In the lower part of the rotor 4 is connected to a propeller shaft 7, which in turn is connected to a drive shaft 8 of the spin d elappel.
  • a transition piece 14 is provided for its connection to a drill pipe.
  • a rock destruction tool (not shown in FIG. 1) is connected to the lower part of the drive shaft B.
  • the controller 6 for regulating the liquid flow represents a removable housing 15, in which there is a nozzle 16, which has been made of ceramic, for example.
  • a nozzle 16 which has been made of ceramic, for example.
  • sealing rings 17 and 1d for example made of rubber.
  • the nozzle 16 consists of two successively arranged chambers in the flow direction of the operating liquid: a receiving chamber A and a dispensing chamber B.
  • the surfaces 19 and 20 of the receiving chamber A and the dispensing chamber B are coupled via a break line 21, respectively.
  • the annular section 22 of the receiving chamber A adjoining the breaking line 21 is convex in relation to the direction of flow of the operating liquid.
  • the diameter D of the inlet cross-section of chamber A is larger than the diameter d of the outlet cross-section of this chamber A.
  • the cross-sectional area of the receiving chamber A at the inlet is larger than the cross-sectional area at the outlet from this chamber A.
  • the surface 20 of the dispensing chamber B can have any shape. However, it is advisable to give this chamber B such a shape that provides the greatest resistance to the flow of the operating fluid flowing through the nozzle 16.
  • the surface 20 of the chamber B like the surface 19 of the chamber A, is formed by rotating a curve around an axis 0-0, which curve is kovex relative to the direction of flow of the operating fluid.
  • the screw borehole sole motor has the following mode of operation.
  • a flushing liquid is supplied to the working elements of the drive unit 1 (FIG. 1) via the drill pipe.
  • the current divides directly in front of the working elements: the main part of the current flows in the space between the stator 3 and the rotor 4 and sets the latter in motion; the other, smaller part of the flow is passed through the channel 5 of the rotor 4 and the regulator 6 mounted in this channel 5 for regulating the liquid flow. After passing through the working elements, the two partial flows combine again to form a uniform flow which reaches the bottom of the borehole through the inner bore of the shaft 8 of the spindle unit 2.
  • the torque to be generated in the drive unit 1 is transmitted from the rotor 4 via the cardan shaft 7 to the shaft 8 and further to a rock destruction tool (a drill bit).
  • the interaction of the drill bit and the rock to be destroyed determines the magnitude of the section modulus to be overcome by the motor.
  • the torque of the engine as well as the resistance torque is changed.
  • the flow of liquid flows through the receiving chamber A (FIG. 3) as if in two flows.
  • the main part of the flow directed along the axis 0-0 of the nozzle 16 emerges from the chamber A through its outlet cross section formed by the break line 21 with a diameter d, the other, peripheral part of the flow flows around the surface 19 of the chamber A.
  • the Break line 21 causes this peripheral partial flow to be torn off and intensively mixed with the central main part of the flow.
  • the peripheral partial current is called the resistance current.
  • the nozzle 16 shown in FIG. 4 consists of two elements: a bush 23 and a cylindrical rod 24, which are connected to one another by webs 25. Similar to the construction described above, two successive axial chambers are arranged in the nozzle 16: an accommodating chamber A and a dispensing chamber B, the surfaces 19, 20 of which are flushed with the operating liquid.
  • the chambers A and B are formed by the surfaces of the bushing 23 and the rod 24.
  • the surface of the bushing 23 has been formed by the rotation of a curve about the axis 0-0, which curve is convex relative to that of the cylinder with a radius R, where R is a minimum distance between see the axis 0-0 of the nozzle 16 and the line equivalent to the breaking line 21, which is formed by the surface 19 of the chamber A and the surface 20 of the chamber B when they intersect.
  • the surface 20 of the chamber B is formed by the rotation of a curve of any shape about the axis 0-0, similar to the previous embodiment of the invention.
  • annular projection 26 is provided, which forms a convex portion 22 of the receiving chamber A.
  • FIG. 5 shows a nozzle 16 which also contains a bushing 23 and a rod 24 and has two chambers: a receiving chamber A and a discharge chamber B.
  • the sleeve 23 is cylindrical, while the rod 24 is provided with an annular projection 27, which forms a convex portion 22 of the surface 19 of the receiving chamber A.
  • the surface of the bushing 23 to be flushed with the operating liquid is cylindrical, while the surface of the rod 24 in the chamber B has been formed by the rotation of a curve about the axis 0-0, which curve relative to the generating cylinder with a radius R is convex, where R means a minimum distance between the axis 0-0 of the nozzle 16 and the line 21, which is equivalent to the breaking line formed by the surface portions of the rod 24 in the chamber A and in the chamber B when they intersect.
  • the nozzle 16 shown in FIG. 6, like the two previously described, consists of two elements: a bushing 23 and a rod 24, which are connected to one another by webs 25.
  • this nozzle 16 there are also two chambers arranged one after the other in the axial direction: a receiving chamber A and a discharge chamber B, the surfaces 19, 20 of which are flushed with the operating liquid.
  • the bushing 23 is provided with an annular extension 28 and the rod 24 with an annular extension 29.
  • Each of the lugs 28, 29 forms a convex surface section 22, 19 of the receiving chamber A:
  • the surfaces of the sleeve 23 and the rod 24 located in the chamber A are formed by the rotation of corresponding curves about the axis 0-0, each curve being relative is convex to the generatrix of the cylinder with a radius R, where R means a minimal distance between the axis 0-0 of the nozzle 16 and the corresponding line equivalent to the breaking line 21.
  • the operation of the present regulator for regulating the operating fluid flow differs in that two resistance currents are formed here, uz, one current flows over the curvilinear surface of the bushing 23 in the direction from the peripheral region to the center of the nozzle 16 and the other via the curvilinear one Surface of the rod 24 in the direction from the center of the nozzle 16 towards its peripheral region.
  • two resistance currents are formed here, uz, one current flows over the curvilinear surface of the bushing 23 in the direction from the peripheral region to the center of the nozzle 16 and the other via the curvilinear one Surface of the rod 24 in the direction from the center of the nozzle 16 towards its peripheral region.
  • zone S of stable operation of the engine according to FIG. 8 exceeds zone Z of a stable operation of the engine according to FIG. 7 according to the magnitude of the torque.
  • the speed drop is 57% for the motor selected as a prototype and 50% for the motor with a regulator for regulating the current. If you consider the drop in speed at the motors when applying the same resistance moments from outside, this difference becomes even more obvious and essential.
  • the motor which is provided with a regulator for regulating the current, is supplied with a larger quantity of liquid each time (compared to the motor selected as a prototype) when the pressure on the working organs is increased, as a result of which not only the "rigidity" of the characteristic curve, but also mean operating values of torque and speed increase.
  • the present invention can be used particularly effectively in screw-type soleplate motors which serve to drive a rock destruction tool when drilling oil and gas wells.
  • the invention can also be used in turbo bores.

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Abstract

A downhole screw motor is intended for drilling oil and gas wells. The downhole screw motor comprises a stator (3) and a hollow rotor (4) in the axial channel (5) of which is mounted a flow regulator (6) with a nozzle (16). The surface of the nozzle (16), arround which the working liquid flows, is formed by two consecutively located chambers: a receiving one (A) and a discharging one (B), the surfaces (19, 20) of which are conjugated along a break line (21). The part (22) of the receiving chamber (A) which adjoins the break line (21) has a convex form in the direction of flow of the working liquid, whereas the cross-sectional area of the receiving chamber (A) at its outlet is smaller than at its inlet.

Description

Gebiet der TechnikTechnical field

Die Erfindung bezieht sich auf Verdrängermaschinen, und betrifft insbesondere einen Schrauben-Bohrlochsohlenmotor,The invention relates to positive displacement machines, and in particular relates to a screw-type borehole sole motor.

Bisheriger Stand der TechnikCurrent state of the art

Zur Zeit werden zum Niederbringen von Bohrungen zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren angewendet. Das eine dieser Verfahren ist das Rotarybohren bei dem der Antrieb eines Gesteinszerstörungswerkzeuges, nämlich eines Bohrmeißels,an der Tagesoberfläche angeordnet ist, und die Drehung des Bohrmeißels mittels eines Bohrgestänges zustandegebracht wird. Das zweite Verfahren besteht im Einsatz von hydraulischen Bohrlochsohlenmotoren, die unmittelbar über dem Bohrmeißel angebracht sind, als Antrieb. Dabei ist das Bohrgestänge feststehend angeordnet. Das zweite Verfahren hat eine Reihe von offensichtlichen Vorteilen, u.z., fällt es der Energieaufwand für die Drehung des Bohrgestänges weg, die auf das Bohrgestänge einwirkenden Belastungen werden vermindert und dementsprechend sinkt die Anzahl von Havariefällen im Schacht.Two fundamentally different methods are currently used to drill holes. One of these methods is rotary drilling, in which the drive of a rock destruction tool, namely a drill bit, is arranged on the surface of the day and the rotation of the drill bit is brought about by means of a drill pipe. The second method is the use of hydraulic bottom hole motors, which are mounted directly above the drill bit, as a drive. The drill pipe is arranged stationary. The second method has a number of obvious advantages, e.g. it eliminates the energy required to rotate the drill string, reduces the stresses on the drill string and accordingly reduces the number of breakdowns in the well.

Unter allen Typen der hydraulischen Bohrlochsohlenmotoren, die zur Zeit zum Niederbringen von Bohrungen eingesetzt werden, finden Schrauben-Bohrlochsohlenmotore eine breite Anwendung• Diese Motoren zeichnen sich durch einen einfachen Betrieb und eine einfache Bedienung sowie durch geringe Außenabmessungen aus, können mit Bohrspülungen unterschiedlicher Dichte und Viskosität betrieben werden (Gusman M.T., Valdenko D.F. u.a. "Schrauben-Bohrlochsohlenmotoren zum Niederbringen von Bohrungen", 19d1, Nedra, Moskau). Solche Hydraulikmaschinen enthalten üblich ein Gehäuse, eine Antriebswelle mit radialen und axialen Lagerungen und Arbeitsorgane, die aus zwei Elementen bestehen, u.z. einer mit Gummi überzogenen Bucnse, nämlich einem Stator mit Innenschraubenzähnen und einer innerhalb des Stator angeordneten Welle, nämlich einem Rotor mit Außenschraubenzähnen. Die Zähnenanzahl der Buchse übersteigt um eine Eins die Zähnenanzahl der welle, wodurch bei deren Wechselwirkung eine Einteilung des Innenraumes der Arbeitsorgane in Hochdruck- und Niederdruckkammern gewährleistet wird, wenn eine Flüssigkeit durch die Arbeitsorgane durchgepumpt wird. Unter Einwirkung des entstehenden Druckgefälles beginnt der Rotor sich relativ zu dem Stator zu bewegen, wobei die Rotorachse einen Kreis um die Statorachse beschreibt. Diese Drehung wird auf die Antriebswelle des Motors übertragen. Als Energiequelle für den Betrieb des Motors dient üblich ein Flüssigkeitsstrom; die Hydraulikmaschine kann auch mit mit Luft gesättigter Flüssigkeit oder mit Druckluft betrieben werden.Screw-type borehole motors are widely used among all types of hydraulic borehole bottom motors that are currently used for drilling wells. These motors are characterized by simple operation and simple operation as well as small external dimensions and can be used with drilling fluids of different densities and viscosities are operated (Gusman MT, Valdenko DF and others "screw-downhole sole motors for drilling holes", 19d1, Nedra, Moscow). Such hydraulic machines usually contain a housing, a drive shaft with radial and axial bearings and working elements, which consist of two elements, one with rubber over drawn Bucnse, namely a stator with internal screw teeth and a shaft arranged within the stator, namely a rotor with external screw teeth. The number of teeth on the bushing exceeds the number of teeth on the shaft by one, which, when interacting, ensures that the interior of the working elements is divided into high-pressure and low-pressure chambers when a liquid is pumped through the working elements. Under the influence of the pressure drop that arises, the rotor begins to move relative to the stator, the rotor axis describing a circle around the stator axis. This rotation is transmitted to the drive shaft of the engine. A liquid flow usually serves as the energy source for the operation of the motor; the hydraulic machine can also be operated with liquid saturated with air or with compressed air.

Zur Zeit werden zum Niederbringen von Bohrungen Schrauben-Bohrlochsohlenmotoren eingesetzt, in denen der ganze zuzuführende Strom der Betriebsflüssigkeit zwischen dem Stator und dem Rotor geleitet wird.Screw-type borehole sole motors are currently used for drilling holes, in which the entire flow of the operating fluid to be supplied is conducted between the stator and the rotor.

Einer der Hauptnachteile der genannten Motoren besteht darin, daß deren Ausgangsdaten in Abhängigkeit von der zuzuführenden Durchflußmenge der Betriebsflüssigkeit stehen. Da beim Niederbringen von Bohrungen die technologiebedingten Anforderungen mit den energetischen Möglichkeiten der Schrauben-Bohrlochsohlenmotoren öfters nicht übereinstimmen, werden diese nicht selten unter nicht günstigen Bedingungen betrieben, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit und das Druckgefälle der Betriebsflüssigkeit als erhöht erweisen, was zu einem vorzeitigen Ausfall der Teile und der Baugruppen der Motoren führt.One of the main disadvantages of the motors mentioned is that their output data are dependent on the flow rate of the operating fluid to be supplied. As the technology-related requirements often do not correspond to the energetic possibilities of the screw-hole borehole motors when drilling holes, they are often operated under unfavorable conditions if the flow speed and the pressure drop of the operating fluid prove to be increased, which leads to premature failure of the parts and the assemblies of the motors.

Zur Beseitigung des genannten Nachteils werden im axialen Kanal des Rotors Düsen vom konoidförmige Typ (SU-Urheberscheinsschrift Nr. 436595, Kl. E 21B 4/00, 1972) angebracht, durch welche der Strom der Betriebsflüssigkeit gedrosselt wird.In order to eliminate the disadvantage mentioned, nozzles of the conoid-shaped type (SU author's certificate no. 436595, Kl. E 21B 4/00, 1972) are installed in the axial channel of the rotor, through which the flow of the operating liquid is throttled.

Die Kenndaten solcher Motoren werden "sanfter", d.h., die Drehzanl der Antriebswelle nimmt bei der Steigerung des Widerstandsmomentes bedeutend schneller ab, als bei den Hydraulikmotoren ohne Düsen.The characteristics of such motors become "smoother", i.e. the speed of the drive shaft decreases significantly faster when the section modulus increases than with hydraulic motors without nozzles.

Das führt mit der Zunahme der Belastung zu einer intensiven Verminderung der Drehzahl und zur Stillsetzung der Antriebswelle des Motors bei niedrigeren Werten des Widerstandsmomentes, wodurch eine Verminderung des Betriebsdrehmomentes an der Welle und als Folge eine Reduzierung der wirksamkeit des Bohrens hervorgerufen werden.With the increase in the load, this leads to an intensive reduction in the speed and to the stopping of the drive shaft of the motor at lower values of the section modulus, which results in a reduction in the operating torque on the shaft and, as a result, in a reduction in the effectiveness of the drilling.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Schrauben-Bohrlochsohlenmotor zu schaffen, bei dem die Konstruktion des Reglers zur Regelung des Betriebsflüssigkeitsstromes es ermöglicht, die Betriebswerte des Drehmomentes und die Drehzahl an der Antriebswelle des Motors bei einer praktisch unveränderlichen Drehzahl der Antriebswelle im Leerlaufbetrieb zu erhöhen.The present invention has for its object to provide such a screw-bottom motor, in which the construction of the regulator for regulating the operating fluid flow enables the operating values of the torque and the speed on the drive shaft of the motor at a practically unchangeable speed of the drive shaft in idle mode to increase.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Bohrlochsohlenmotor, enthaltend eine Spindeleinheit und eine Antriebseinheit, die Arbeitsorgane - einen Stator und einen als Hohlkörper ausgeführten Rotor - hat, in dessen axialem, mit dem Hochdruckbereich der Betriebsflüssigkeit verbundenem Kanal ein Regler zur Regelung des Flüssigkeitsstromes mit einer Düse angebracht ist, erfindungsgemäß die Düse zwei in der Strömungsrichtung der Betriebsflüssigkeit aufeinanderfolgend angeordnete Kammern, nämlich eine Aufnahme- und eine Abgabekammer hat, deren mit der Betriebsflüssigkeit zu umspülenden Oberflächen über eine Bruchlinie gekoppelt sind, wobei der ringförmige an die Bruchlinie angrenzende Abschnitt der Aufnahmekammer relativ zu der Strömungsrichtung der Betriebsflüssigkeit konvex ausgeführt ist, und die Querschnittsfläche der Aufnahmekammer am Austritt Kleiner als deren Querschnittsfläche am Eintritt ist.The object is achieved in that in a borehole sole motor containing a spindle unit and a drive unit, the working elements - a stator and a rotor designed as a hollow body - has in its axial channel connected to the high pressure area of the operating fluid a controller for regulating the fluid flow is attached with a nozzle, according to the invention the nozzle has two successively arranged chambers in the flow direction of the operating fluid, namely a receiving and a dispensing chamber, the surfaces of which are to be flushed with the operating fluid are coupled via a break line, the annular section adjoining the break line Receiving chamber relative to the flow direction of the Operating fluid is convex, and the cross-sectional area of the receiving chamber at the outlet is smaller than the cross-sectional area at the inlet.

Die vorliegende Erfindung gestattet es, die Betriebswerte des Drehmomentes und die Drehzahl der Antriebswelle des Motors zu erhöhen und dadurch die Wirksamkeit des Niederbringens von Bohrungen zu steigern. beim Gelangen der Betriebsflüssigkeit in die Düse werden die Strahlen .an der Bruchlinie abgerissen, wodurch in der Aufnahmekammer ein mächtiger Wirbel gebildet wird, dessen Energie mit der Erhöhung des Druckgefälles zunimmt, indem sie eine Erhöhung des Strömungswiderstandes der Düse hervorruft und zu einer Vergrößerung der Durchflußmenge der zwischen dem Rotor und dem Stator durchlaufenden Flüssigkeit beträgt.The present invention makes it possible to increase the operating values of the torque and the speed of the drive shaft of the motor and thereby to increase the effectiveness of the drilling of bores. When the operating fluid gets into the nozzle, the jets are torn off at the break line, whereby a powerful vortex is formed in the receiving chamber, the energy of which increases with the increase in the pressure drop, causing an increase in the flow resistance of the nozzle and an increase in the flow rate of the liquid passing between the rotor and the stator.

Der Regler in der erfindungsgemäßen Ausführung ist sehr gedrungen im Aufbau, läßt sich leicht in einen beliebigen Motor einbauen und kann ohne Auseinandernehmen der Hydraulikmaschine ausgewechselt werden.The controller in the embodiment according to the invention is very compact in construction, can be easily installed in any motor and can be replaced without disassembling the hydraulic machine.

Gemäß einer der Ausführungsvarianten der Erfindung besteht die Düse aus zwei Elementen: einer Buchse und einem innerhalb dieser Buchse angeordneten Stab, wobei die Aufnahme- und die Abgabekammern durch die Oberflächen der Buchse und des Stabes gebildet sind und eine ringförmige Gestalt haben.According to one embodiment variant of the invention, the nozzle consists of two elements: a bushing and a rod arranged inside this bushing, the receiving and dispensing chambers being formed by the surfaces of the bushing and the rod and having an annular shape.

Bei einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung ist der Stab zylinderförmig ausgebildet, und die Buchse ist an der Innenfläche mit einem ringförmigen Ansatz versehen, der einen konvexen Abschnitt der Oberfläche der Aufnahmekammer bildet.In another embodiment variant of the invention, the rod is cylindrical and the bushing is provided on the inner surface with an annular projection which forms a convex section of the surface of the receiving chamber.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist die Buchse zylinderförmig ausgebildet, während der Stab mit einem ringförmigen Ansatz versehen ist, der einen konvexen Abschnitt der Oberfläche der Aufnahmekammer bildet.According to a further embodiment variant of the invention, the bush is cylindrical, while the rod is provided with an annular projection which forms a convex section of the surface of the receiving chamber.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung sind an der Buchse und dem Stab ringförmige Ansätze vorhanden, von denen jeder Ansatz einen konvexen Abschnitt der Oberfläche der Aufnahmekammer bildet.According to yet another embodiment variant of the invention, annular projections are present on the bushing and the rod, each approach forming a convex section of the surface of the receiving chamber.

Alle Ausführungsvariante der Erfindung gestatten es, die "Steifigkeit" der Kennlinie zu erhöhen, u.z., die Abhängigkeit der Drehzahl von der Belastung an der Ausgangswelle zu vermindern. Das wird dadurch erzielt, daß die über die krummlinige Oberfläche der Aufnahmekammer fließenden Flüssigkeitsstrahlen an der Bruchlinie abgerissen werden und einen Raum mit einer intensiven wirbelartigen Bewegung bilden. Je höher das Druckgefälle an den Arbeitsorganen(dem Rotor und dem Stator) und folglich an der Düse ist, desto intensiver werden die Flüssigkeitsstrahlen durchgemischt und desto höher ist der Widerstand der Düse und desto kleiner ist die Menge an der durch den Regler durchlaufenden Flüssigkeit. Dieser Umstand gestattet es, bei der Belastung größere Flüssigkeitsmengen über die Schraubenflächen des Rotors und des Stators durchfließen zu lassen, als bei der Verwendung von konoidförmigen Düsen.All variant embodiments of the invention make it possible to increase the "rigidity" of the characteristic curve and to reduce the dependence of the speed on the load on the output shaft. This is achieved by d ate the current flowing through the curvilinear surface of the receiving chamber jets of liquid at the line of weakness to be torn down and form a space with an intensive vortical motion. The higher the pressure drop at the working elements (the rotor and the stator) and consequently at the nozzle, the more intensely the liquid jets are mixed and the higher the resistance of the nozzle and the smaller the amount of liquid passing through the regulator. This fact allows larger amounts of liquid to flow through the screw surfaces of the rotor and the stator during loading than when using conoidal nozzles.

Ein ähnlicher Effekt, d.h. eine Erhöhung der über die Schraubenflächen des Rotors und des Stators bei der Steigerung der Belastung an der Antriebswelle durchfließenden Flüssigkeitsmenge kann auch durch Anwendung anderer konstruktiver Lösungen erzielt werden, jedoch müssen dabei die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Erfindung unverändert bleiben.A similar effect, i.e. an increase in the amount of liquid flowing through the screw surfaces of the rotor and the stator when the load on the drive shaft is increased can also be achieved by using other design solutions, but the general principles of the present invention must remain unchanged.

Zur Senkung der spezifischen, auf die Düse einwirkenden Belastungen, werden zweckmäßigerweise im axialen Kanal mehrere Düsen aufeinanderfolgend angebracht. Dabei bleibt der Betrieb der gesamten Vorrichtung unverändert.To reduce the specific loads acting on the nozzle, several nozzles are expediently arranged in succession in the axial channel. The operation of the entire device remains unchanged.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand einer eingehenden Beschrei- bung der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

  • Fig. 1 - einen Längsschnitt durch einen Bohrlochsohlenmotor mit einer Düse in einer der Ausführungsformen eines im axialen Kanal des Rotors angebrachten Reglers;
  • Fig. 2 - einen Längsschnitt durch einen Flüssigkeitsstromregler mit einer Düse im vergrößerten Maßstab;
  • Fig. 3 - ein Strömungsbild für die durch die Düse durchlaufende Flüssigkeit;
  • Fig. 4, 51 6 - verschiedene Ausführungsformen der Düse;
  • Fig. 7, 8 - experimentell gewonnene Energiekennlinien des Prototypes und der vorliegenden Erfindung.
Other objects and advantages of the present invention are explained below with reference to an in-depth descriptions b ung the embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings. It shows:
  • 1 shows a longitudinal section through a borehole sole motor with a nozzle in one of the embodiments of a regulator mounted in the axial channel of the rotor;
  • 2 shows a longitudinal section through a liquid flow controller with a nozzle on an enlarged scale;
  • Fig. 3 - a flow diagram for the liquid passing through the nozzle;
  • Fig. 4, 5 1 6 - different embodiments of the nozzle;
  • 7, 8 - experimentally obtained energy characteristics of the prototype and the present invention.

Beste Ausführungsvariante der ErfindungBest embodiment of the invention

Der Schrauben-Bohrlochsohlenmotor (Fig. 1) enthält eine Antriebseinheit 1 und eine Spindeleinheit 2. Die Antriebseinheit 1 umfaßt Arbeitsorgane - einen Stator 3 und einen als Hohlkörper ausgeführten Rotor 4, der im Stator 3 untergebracht ist. In einem axialen durchgehenden, mit dem Hochdruckbereich der Betriebsflüssigkeit in Verbindung stehenden Kanal 5 des Rotors 4 ist ein Regler 6 zur Regelung des Flüssigkeitsstromes angebracht. Im Unterteil ist der Rotor 4 mit einer Gelenkwelle 7 verbunden, die ihrerseits mit einer Antriebswelle 8 der Spin- deleinheit 2 verbunden ist. Im Gehäuse 11 der Spindeleinheit 2 sind im Zwischenraum zwischen einem Anpaßstück 12 und einem Verbindungsübergangsstück 13 Radiallagerungen 9 und eine Axiallagerung 10, welche an der Welle 8 befes- tigt, sind, angeordnet. Im Oberteil des Motors ist für seinen Anschluß an ein Bohrgestänge ein Ubergangsstück 14 vorgesehen. An den Unterteil der Antriebswelle B wird ein Gesteinszerstörungswerkzeug (in Fig. nicht gezeigt) angeschlossen.The screw-type borehole sole motor (FIG. 1) contains a drive unit 1 and a spindle unit 2. The drive unit 1 comprises working elements - a stator 3 and a rotor 4 designed as a hollow body, which is accommodated in the stator 3. A regulator 6 for regulating the liquid flow is mounted in an axially continuous channel 5 of the rotor 4 which is connected to the high-pressure region of the operating liquid. In the lower part of the rotor 4 is connected to a propeller shaft 7, which in turn is connected to a drive shaft 8 of the spin d eleinheit. 2 In the housing 11 of the spindle unit 2 are in the intermediate space between a Anpa ß piece 12 and a connecting transition piece 13 radial bearings 9 and a thrust bearing 10 which befes- Untitled to the shaft 8, are arranged. In the upper part of the engine, a transition piece 14 is provided for its connection to a drill pipe. A rock destruction tool (not shown in FIG. 1) is connected to the lower part of the drive shaft B.

Der Regler 6 zur Regelung des Flüssigkeitsstromes (Fig. 2) stellt ein abnehmbares Gehäuse 15 dar, in dem sich eine Düse 16 befindet, die z.B. aus Keramik hergestellt worden ist. Im Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 15 und dem Rotor 4 sowie im Zwischenraum zwischen der Düse 16 und dem Gehäuse 15 sind Dichtungsringe 17 und 1d z.B. aus Gummi vorhanden.The controller 6 for regulating the liquid flow (Fig. 2 ) represents a removable housing 15, in which there is a nozzle 16, which has been made of ceramic, for example. In the space between the housing 15 and the rotor 4 and in the space between the nozzle 16 and the housing 15 there are sealing rings 17 and 1d, for example made of rubber.

Die Düse 16 besteht aus zwei aufeinanderfolgend in der Strömungsrichtung der Betriebsflüssigkeit angeordneten Kammern: einer Aufnahmekammer A und einer Abgabekammer B. Die Oberflächen 19 und 20 der Aufnahmekammer A und der Abgabekammer B entsprechend sind über eine Bruchlinie 21 gekoppelt. Der ringförmige, an die Bruchlinie 21 angrenzende Abschnitt 22 der Aufnahmekammer A ist relativ zu der Strömungsrichtung der Betriebsflüssigkeit konvex ausgeführt. Der Durchmesser D des Eintrittsquerschnittes der Kammer A ist größer als der Durchmesser d des Austrittsquerschnittes dieser Kammer A. Mit anderen Worten ist die Querschnittsfläche der Aufnahmekammer A am Eintritt größer als die Querschnittsfläche am Austritt aus dieser Kammer A.The nozzle 16 consists of two successively arranged chambers in the flow direction of the operating liquid: a receiving chamber A and a dispensing chamber B. The surfaces 19 and 20 of the receiving chamber A and the dispensing chamber B are coupled via a break line 21, respectively. The annular section 22 of the receiving chamber A adjoining the breaking line 21 is convex in relation to the direction of flow of the operating liquid. The diameter D of the inlet cross-section of chamber A is larger than the diameter d of the outlet cross-section of this chamber A. In other words, the cross-sectional area of the receiving chamber A at the inlet is larger than the cross-sectional area at the outlet from this chamber A.

Die Oberfläche 20 der Abgabekammer B kann eine beliebige Form aufweisen. Es ist jedoch zweckmäßig, dieser Kammer B eine solche Form zu verleihen, die den größten Widerstand dem durch die Düse 16 fließenden Strom der Betriebsflüssigkeit leistet. Dabei wird die Oberfläche 20 der Kammer B ähnlich wie die Oberfläche 19 der Kammer A durch die Drehung jeweils einer Kurve um eine Achse 0-0 gebildet, welche Kurve relativ zu der Strömungsrichtung der Betriebsflüssigkeit kovex ist.The surface 20 of the dispensing chamber B can have any shape. However, it is advisable to give this chamber B such a shape that provides the greatest resistance to the flow of the operating fluid flowing through the nozzle 16. The surface 20 of the chamber B, like the surface 19 of the chamber A, is formed by rotating a curve around an axis 0-0, which curve is kovex relative to the direction of flow of the operating fluid.

Im Längsschnitt der Düse 16 kreuzen sich die beiden genannten die Kammern A und B bildenden Kurven in einem Punkt, der dem Knickpunkt äquivalent ist. Diese Punkte bilden räumlich eine der Bruchlinie äquivalente Schnittlinie 21.In the longitudinal section of the nozzle 16, the two curves mentioned forming the chambers A and B intersect at a point which is equivalent to the break point. These points form an intersection line 21 that is equivalent to the break line.

Der Schrauben-Bohrlochsohlenmotor hat folgende Wirkungsweise. Beim Einschalten von auf der Tagesoberfläche befindlichen Spülpumpen wird eine Spülflüssigkeit über das Bohrgestänge den Arbeitsorganen der Antriebseinheit 1 (Fig. 1) zugeführt.The screw borehole sole motor has the following mode of operation. When turning on on the daily surface located flushing pumps, a flushing liquid is supplied to the working elements of the drive unit 1 (FIG. 1) via the drill pipe.

Unmittelbar vor den Arbeitsorganen teilt sich der Strom : der Hauptteil des Stromes fließt im Zwischenraum zwischen dem Stator 3 und dem Rotor 4 durch und versetzt den letzteren in Bewegung; der andere, kleinere Teil des Stromes, wird durch den Kanal 5 des Rotors 4 und den in diesem Kanal 5 angebrachten Regler 6 zur Regelung des Flüssigkeitsstromes geleitet. Nach dem Durchlaufen durch die Arbeitsorgane vereinigen sich die beiden Teilströme wieder zu einem einheitlichen Strom, der durch die Innenbohrung der Welle 8 der Spindeleinheit 2 auf die Bohrlochsohle gelangt.The current divides directly in front of the working elements: the main part of the current flows in the space between the stator 3 and the rotor 4 and sets the latter in motion; the other, smaller part of the flow is passed through the channel 5 of the rotor 4 and the regulator 6 mounted in this channel 5 for regulating the liquid flow. After passing through the working elements, the two partial flows combine again to form a uniform flow which reaches the bottom of the borehole through the inner bore of the shaft 8 of the spindle unit 2.

Das in der Antriebseinheit 1 zu erzeugende Drehmoment wird von dem Rotor 4 über die Gelenkwelle 7 auf die welle 8 und weiter auf ein Gesteinszerstörungswerkzeug (einen Bohrmeißel) übertragen.The torque to be generated in the drive unit 1 is transmitted from the rotor 4 via the cardan shaft 7 to the shaft 8 and further to a rock destruction tool (a drill bit).

Durch die Wechselwirkung des Bohrmeißels und des zu zerstörenden Gesteins wird die Größe des Widerstandsmomentes bestimmt, die durch den Motor zu überwinden ist. Während des Betriebes des Motors wird das Drehmoment des Motors wie auch das Widerstandmoment geändert.The interaction of the drill bit and the rock to be destroyed determines the magnitude of the section modulus to be overcome by the motor. During the operation of the engine, the torque of the engine as well as the resistance torque is changed.

Es ist bekannt, daß bei Motoren dieser Art das Drehmoment dem Druckgefälle an Arbeitsorganen (im Arbeitsbereich der Kennlinie) bei der gleichbleibenden Durchflußmenge der Betriebsflüssigkeit proportional ist. In dem als Prototyp gewählten Motor wird mit der Vergrößerung des bei der Drehung des Meißels entstehenden Widerstandsmomentes, die durch den Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Stator durchfließende Flüssigkeitsmenge proportional √P, worin P das Druckgefälle an dem Motor bedeutet, vermindert. Dadurch werden die Kenndaten des Motors bedeutend abgeschwächt, die Drehzahl der Antriebswelle 8 stark vermindert.It is known that in motors of this type, the torque is proportional to the pressure drop at the working members (in the working range of the characteristic curve) with the constant flow rate of the operating fluid. In the motor chosen as the prototype, the increase in the section modulus caused by the rotation of the chisel reduces the amount of liquid flowing through the space between the rotor and the stator proportionally √P, where P is the pressure drop across the motor. As a result, the characteristics of the motor are significantly weakened, the speed of the drive shaft 8 is greatly reduced.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion des Motors fließt der Flüssigkeitsstrom durch die Aufnahmekammer A (Fig. 3) als ob in zwei Strömen. Der längs der Achse 0-0 der Düse 16 geleitete Hauptteil des Stromes tritt aus der Kammer A durch ihren von der Bruchlinie 21 gebildeten Austrittsquerschnitt mit einem Durchmesser d aus, der andere, periphere Teil des Stromes umspült die Oberfläche 19 der Kammer A. An der Bruchlinie 21 findet ein Abreißen dieses peripheren Teilstromes und eine intensive Durchmischung mit dem zentralen Hauptteil des Stromes statt. In folgendem wird der periphere Teilstrom als Widerstandsstrom genannt.In the construction of the motor according to the invention, the flow of liquid flows through the receiving chamber A (FIG. 3) as if in two flows. The main part of the flow directed along the axis 0-0 of the nozzle 16 emerges from the chamber A through its outlet cross section formed by the break line 21 with a diameter d, the other, peripheral part of the flow flows around the surface 19 of the chamber A. At the Break line 21 causes this peripheral partial flow to be torn off and intensively mixed with the central main part of the flow. In the following, the peripheral partial current is called the resistance current.

Somit führt die intensive Durchmischung des Hauptstromes und des Widerstandsstromes zu einer Verminderung der Energie des in die Kammer B fließenden Stromes. Je höher das Druckgefälle an den Arbeitsorganen - am Stator 3 und am Rotor 4 - und entsprechend an der Düse 16 ist, desto intensiver geschieht die Durchmischung der Flüssigkeitsströme, desto kleinere Flüssigkeitsmenge gelangt aus der Kammer A in die Kammer B und desto größere Flüssigkeitsmenge wird in die Arbeitsorgane zugeführt.The intensive mixing of the main current and the resistance current thus leads to a reduction in the energy of the current flowing into the chamber B. The higher the pressure drop at the working elements - at the stator 3 and at the rotor 4 - and correspondingly at the nozzle 16, the more intensely the liquid flows are mixed, the smaller the amount of liquid from the chamber A into the chamber B and the greater the amount of liquid the working organs fed.

Die in Fig. 4 dargestellte Düse 16 besteht aus zwei Elementen: aus einer Buchse 23 und einem zylinderförmigen Stab 24, die durch Stege 25 miteinander verbunden sind. Ähnlich wie bei der oben beschriebenen Konstruktion sind in der Düse 16 zwei aufeinanderfolgend in axialer Richtung angeordnete ringförmige Kammern: eine Aufnahmekammer A und eine Abgabekammer B vorgesehen, deren Oberflächen 19, 20 mit der Betriebsflüssigkeit umspült werden. Die Kammern A und B sind durch die Oberflächen der Buchse 23 und des Stabes 24 gebildet. Die Oberfläche der Buchse 23 ist durch die Drehung einer Kurve um die Achse 0-0 gebildet worden, welche Kurve relativ zu der erzeugenden des Zylinders mit einem Halbmesser R konvex ist, worin R einen minimalen Abstand zwisehen der Achse 0-0 der Düse 16 und der der Bruchlinie 21 äquivalenten Linie bedeutet, welche durch die Oberfläche 19 der Kammer A und die Oberfläche 20 der Kammer B bei deren Kreuzung gebildet wird. Im vorliegenden Fall ist die Oberfläche 20 der Kammer B ähnlich wie bei der vorhergehenden Ausführungsvariante der Erfindung durch die Drehung einer Kurve einer beliebigen Form um die Achse 0-0 gebildet.The nozzle 16 shown in FIG. 4 consists of two elements: a bush 23 and a cylindrical rod 24, which are connected to one another by webs 25. Similar to the construction described above, two successive axial chambers are arranged in the nozzle 16: an accommodating chamber A and a dispensing chamber B, the surfaces 19, 20 of which are flushed with the operating liquid. The chambers A and B are formed by the surfaces of the bushing 23 and the rod 24. The surface of the bushing 23 has been formed by the rotation of a curve about the axis 0-0, which curve is convex relative to that of the cylinder with a radius R, where R is a minimum distance between see the axis 0-0 of the nozzle 16 and the line equivalent to the breaking line 21, which is formed by the surface 19 of the chamber A and the surface 20 of the chamber B when they intersect. In the present case, the surface 20 of the chamber B is formed by the rotation of a curve of any shape about the axis 0-0, similar to the previous embodiment of the invention.

An der Innenfläche der Buchse 23 ist ein ringförmiger Ansatz 26 vorgesehen, der einen konvexen Abschnitt 22 der Aufnahmekammer A bildet.On the inner surface of the sleeve 23, an annular projection 26 is provided, which forms a convex portion 22 of the receiving chamber A.

Während des Betriebes entsteht im Regler dieser Konstruktion dieselbe wirkung wie in der Vorrichtung gemäß Fig. 3; der Unterschied besteht darin, daß der zum Zentrum fließende Widerstandsstrom von der zylinderförmigen Fläche des Stabes 24 in Richtung zu dem peripheren Bereich der Aufnahmekammer A hin zurückgeworfen wird und sich an der Durchmischung mit dem Hauptstrom wieder beteiligt.During operation, the same effect arises in the controller of this construction as in the device according to FIG. 3; the difference is that the resistance current flowing to the center is thrown back from the cylindrical surface of the rod 24 towards the peripheral region of the receiving chamber A and participates again in the mixing with the main current.

In Fig. 5 ist eine Düse 16 dargestellt, die ebenfalls eine Buchse 23 und einen Stab 24 enthält sowie zwei Kammern: eine Aufnahmekammer A und eine Abgabekammer B hat. Bei der Düse 16 dieser Konstruktion ist die Buchse 23 zylinderförmig ausgebildet, während der Stab 24 mit einem ringförmigen Ansatz 27 versehen ist, der einen konvexen Abschnitt 22 der Oberfläche 19 der Aufnahmekammer A bildet. Die mit der Betriebsflüssigkeit zu umspülende Oberfläche der Buchse 23 ist zylinderförmig ausgebildet, während die Oberfläche des Stabes 24 in der Kammer B durch die Drehung einer Kurve um die Achse 0-0 gebildet worden ist, welche Kurve relativ zu der Erzeugenden Zylinders mit einem Halbmesser R konvex ist, worin R einen minimalen Abstand zwischen der Achse 0-0 der Düse 16 und der Linie 21 bedeutet, die der durch die Oberflächenabschnitte des Stabes 24 in der Kammer A und in der Kammer B bei deren Kreuzung gebildeten Bruchlinie äquivalent ist.5 shows a nozzle 16 which also contains a bushing 23 and a rod 24 and has two chambers: a receiving chamber A and a discharge chamber B. In the nozzle 16 of this construction, the sleeve 23 is cylindrical, while the rod 24 is provided with an annular projection 27, which forms a convex portion 22 of the surface 19 of the receiving chamber A. The surface of the bushing 23 to be flushed with the operating liquid is cylindrical, while the surface of the rod 24 in the chamber B has been formed by the rotation of a curve about the axis 0-0, which curve relative to the generating cylinder with a radius R is convex, where R means a minimum distance between the axis 0-0 of the nozzle 16 and the line 21, which is equivalent to the breaking line formed by the surface portions of the rod 24 in the chamber A and in the chamber B when they intersect.

Im Unterschied zu dem in Fig. 3 dargestellten Motor fließt hier der Widerstandsstrom über die krummlinige Oberfläche in Richtung vom Zentrum der Düse 16 zu deren peripherem Bereich hin, wird von der Zylinderfläche der Buchse 23 in Richtung zum Zentrum hin zurückgeworfen, und beteiligt sich nochmal, aber mit einer geringeren Energie an der Durchmischung mit dem Hauptstrom.In contrast to the motor shown in FIG. 3, here the resistance current flows over the curvilinear surface in the direction from the center of the nozzle 16 to its peripheral region, is thrown back by the cylindrical surface of the bushing 23 towards the center, and again participates, but with less energy mixing with the main stream.

Die in Fig. 6 dargestellte Düse 16 besteht ebenfalls wie die zwei früher beschriebenen aus zwei Elementen: einer Buchse 23 und einem Stab 24, die durch Stege 25 miteinander verbunden sind. In dieser Düse 16 sind auch zwei in axialer Richtung aufeinanderfolgend angeordnete Kammern: eine Aufnahmekammer A und eine Abgabekammer B vorgesehen deren Oberflächen 19, 20 mit der Betriebsflüssigkeit umspült werden. Die Buchse 23 ist mit einem ringförmigen Ansatz 28 und der Stab 24 mit einem ringförmigen Ansatz 29 versehen. Jeder der Ansätze 28, 29 bildet einen konvexen Oberflächenabschnitt 22, 19 der Aufnahmekammer A: Die in der Kammer A befindlichen Oberflächen der Buchse 23 und des Stabes 24 werden durch die Drehung entsprechender Kurven um die Achse 0-0 gebildet, von denen jede Kurve relativ zu der Erzeugenden des Zylinders mit einem Halbmesser R konvex ist, wobei R einen minimalen Abstand zwischen der Achse 0-0 der Düse 16 und der entsprechenden, der Bruchlinie 21 äquivalenten Linie bedeutet.The nozzle 16 shown in FIG. 6, like the two previously described, consists of two elements: a bushing 23 and a rod 24, which are connected to one another by webs 25. In this nozzle 16 there are also two chambers arranged one after the other in the axial direction: a receiving chamber A and a discharge chamber B, the surfaces 19, 20 of which are flushed with the operating liquid. The bushing 23 is provided with an annular extension 28 and the rod 24 with an annular extension 29. Each of the lugs 28, 29 forms a convex surface section 22, 19 of the receiving chamber A: The surfaces of the sleeve 23 and the rod 24 located in the chamber A are formed by the rotation of corresponding curves about the axis 0-0, each curve being relative is convex to the generatrix of the cylinder with a radius R, where R means a minimal distance between the axis 0-0 of the nozzle 16 and the corresponding line equivalent to the breaking line 21.

Der Betrieb des vorliegenden Reglers zur Regelung des Betriebsflüssigkeitsstromes unterscheidet sich dadurch, daß hier zwei Widerstandsströme gebildet werden, u.z., der eine Strom fließt über die krummlinige Oberfläche der Buchse 23 in Richtung vom peripheren Bereich zum Zentrum der Düse 16 hin und der andere über die krummlinige Oberfläche des Stabes 24 in Richtung vom Zentrum der Düse 16 zu deren peripherem Bereich hin. In einem von den Halbmessern R und R' gebildeten Ring findet eine Kreuzung der genannten Ströme statt, was zu einer zusätzlichen Durchmischung der Flüssigkeitsströme beiträgt.The operation of the present regulator for regulating the operating fluid flow differs in that two resistance currents are formed here, uz, one current flows over the curvilinear surface of the bushing 23 in the direction from the peripheral region to the center of the nozzle 16 and the other via the curvilinear one Surface of the rod 24 in the direction from the center of the nozzle 16 towards its peripheral region. In a ring formed by the half-knives R and R 'there is a crossing of the currents mentioned, which leads to a additional mixing of the liquid flows.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsvariante des Motors gemäß der vorliegenden Erfindung nimmt folglich beim Vorhandensein von zwei parallelen Strömen, der eine von denen seine zusätzlichen Widerstandsströme bildet, die Energie der letzteren mit der Steigerung des Druckgefälles zu, d.h. die Abhängigkeit der durch die Arbeitsorgane sowie durch die Düse 16 durchfließenden Flüssigkeitsmenge von dem Belastungszustand des Motors ist ihrem Wesen nach je nach der Belastung des Motors durch ein von außen einwirkendes Moment kompliziert. Es kann jedoch nachgewiesen werden, daß durch die Verwendung von Düsen in der konstruktiven Gestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Regler zur Regelung des Flüssigkeitsstromes der Energiekennlinie des Motors eine größere. Steifigkeit verliehen wird, was natürlich zu einer Erhöhung der Belastbarkeit des Motors, zu einer geringfügigen Senkung der Drehzahl der Antriebswelle des Motors führt.In the embodiment of the motor according to the present invention described above, consequently, in the presence of two parallel currents, one of which constitutes its additional resistance currents, the energy of the latter increases with the increase in the pressure gradient, i.e. the dependence of the amount of liquid flowing through the working elements and through the nozzle 16 on the load condition of the motor is intrinsically complicated, depending on the load on the motor due to an external force. However, it can be demonstrated that by using nozzles in the structural design according to the present invention in a regulator for regulating the liquid flow, the energy characteristic of the motor is larger. Stiffness is given, which of course leads to an increase in the load capacity of the engine, to a slight decrease in the speed of the drive shaft of the motor.

In Fig. 7 und 8 sind die Energiekennlinien, d.h. die Abhängigkeiten der relativen Werte des Druckgerälles Δ P und der Drehzahl n der Antriebswelle 8 von dem relativen Wert des Drehmomentes M eines als Prototyp gewählten Schraubenmotors und des Schraubenmotors gemäß der vorliegenden Erfindung entsprechend, dargestellt.7 and 8 are the energy characteristics, ie the dependencies of the relative values of the pressure noise Δ P and the speed n the drive shaft 8 from the relative value of the torque M a screw motor chosen as a prototype and the screw motor according to the present invention, respectively.

Eine Analyse der angeführten Kennlinien zeigt, daß die Zone S eines stabilen Betriebes des Motors gemäß Fig. 8 um 18% die Zone Z eines staoilen Betriebes des Motors gemäß Fig. 7 nach der Größe des Drehmomentes übersteigt. Für denselben Punkt beträgt der Drehzahlabfall bei dem als Prototyp gewählten Motor 57%, und beim Motor mit einem Regler zur Regelung des Stromes 50%. Betrachtet man den Drehzahlabfall an den Motoren beim Anlegen von gleichgroßen von außen einwirkenden Widerstandsmomenten, wird dieser Unterschied noch offensichtlicher und wesentlicher. Das ist darauf zurückzuführen, daß dem mit einem Regler zur Regelung des Stromes versehenen Motor bei einer Erhöhung des Druckes an Arbeitsorganen jedes Mal eine größere (im Vergleich zu dem als Prototyp gewählten Motor) Flüssigkeitsmenge zugeführt wird, wodurch nicht nur die "Steifigkeit" der Kennlinie, sondern auch mittlere Betriebswerte des Drehmomentes und der Drehzahl zunehmen.An analysis of the characteristic curves shown shows that zone S of stable operation of the engine according to FIG. 8 exceeds zone Z of a stable operation of the engine according to FIG. 7 according to the magnitude of the torque. For the same point, the speed drop is 57% for the motor selected as a prototype and 50% for the motor with a regulator for regulating the current. If you consider the drop in speed at the motors when applying the same resistance moments from outside, this difference becomes even more obvious and essential. That’s because that the motor, which is provided with a regulator for regulating the current, is supplied with a larger quantity of liquid each time (compared to the motor selected as a prototype) when the pressure on the working organs is increased, as a result of which not only the "rigidity" of the characteristic curve, but also mean operating values of torque and speed increase.

Industrielle AnwendbarkeitIndustrial applicability

Besonders wirksam kann die vorliegende Erfindung in Schrauben-Bohrlochsohlenmotoren ihre Anwendung finden, die als Antrieb eines Gesteinszerstörungswerkzeuges beim Niederbringen von Erdöl- und Erdgasbohrungen dienen.The present invention can be used particularly effectively in screw-type soleplate motors which serve to drive a rock destruction tool when drilling oil and gas wells.

Die Erfindung kann auch in Turbobohren eingesetzt werden.The invention can also be used in turbo bores.

Claims (5)

1. Schrauben-Bohrlochsohlenmotor, enthaltend eine Spindeleinheit (2) und eine Antriebseinheit (1), die Arbeitsorgane - einen Stator (3) und einen als Hohlkörper ausgeführten Rotor (4) - hat, in dessen axialem, mit dem Hochdruckbereich der Betriebsflüssigkeit verbundenem Kanal (5) ein Regler (6) zur Regelung des Flüssigkeitsstromes mit einer Düse (16) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (16) zwei in der Strömungsrichtung der Betriebsflüssigkeit aufeinanderfolgend angeordnete Kammern: eine Aufnahmekammer (A) und Abgaoekammer (B) hat, deren mit der Betriebsflüssigkeit zu umspülende Oberflächen (19, 20) über eine Bruchlinie (21) gekoppelt sind, wobei der ringförmige, an die Bruchlinie (21) angrenzende Abschnitt (22) der Aufnahmekammer (A) relativ zu der Strömungsrichtung der Betriebsflüssigkeit konvex ausgeführt ist und die Querschnittsfläche der Aufnahmekammer (A) am Austritt kleiner als deren Querschnittsfläche am Eintritt ist.1. Bolt-hole motor, containing a spindle unit (2) and a drive unit (1), the working elements - a stator (3) and a rotor designed as a hollow body (4) - in its axial, connected to the high pressure area of the operating fluid (5) a regulator (6) for regulating the liquid flow is fitted with a nozzle (16), characterized in that the nozzle (16) has two chambers arranged in succession in the direction of flow of the operating liquid: a receiving chamber (A) and exhaust chamber (B) The surfaces (19, 20) of which the operating fluid is to be flushed are coupled via a fracture line (21), the annular section (22) of the receiving chamber (A) adjoining the fracture line (21) being convex relative to the direction of flow of the operating fluid is executed and the cross-sectional area of the receiving chamber (A) at the outlet is smaller than its cross-sectional area at the inlet. 2. Schrauben-Bohrlochsohlenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (16) aus zwei Elementen, nämlich einer Buchse (23) und einem innerhalb dieser Buchse angeordneten Stab (24) besteht, wobei die Aufnahmekammer (A) und die Abgabekammer (B) durch die Oberflächen der Buchse (23) und des Stabes (24) gebildet sind und eine ringförmige Gestalt haben.2. Screw borehole sole motor according to claim 1, characterized in that the nozzle (16) consists of two elements, namely a bushing (23) and a rod (24) arranged within this bushing, the receiving chamber (A) and the discharge chamber ( B) are formed by the surfaces of the bushing (23) and the rod (24) and have an annular shape. 3. Schrauben-Bohrlochsohlenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß der Stab (24) zylinderförmig ausgeoildet ist, und die Buchse (23) an der Innenfläche mit einem ringförmigen Ansatz (26) versehen ist, der einen konvexen Abschnitt (22) der Oberfläche (19) der Aufnahmekammer (A) bildet.3. screw-hole motor according to claim 2, characterized in that the rod (24) is cylindrical, and the sleeve (23) is provided on the inner surface with an annular projection (26) having a convex portion (22) of the surface (19) forms the receiving chamber (A). 4. Schrauben-Bohrlochsohlenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß die Buchse (23) zylinderförmig ausgebildet ist, und der Stab (24) mit einem ringförmigen Ansatz (27) versehen ist, der einen konvexen Abschnitt (22) der Oberfläche (19) der Aufnahmekammer (A) bildet.4. screw borehole sole motor according to claim 2, characterized in that the Bush (23) is cylindrical, and the rod ( 2 4) is provided with an annular projection (27) which forms a convex portion (22) of the surface (19) of the receiving chamber (A). 5. Schrauben-Bohrlochsohlenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (23) und der Stab (24) mit ringförmigen Ansätzen (2d, 29) versehen sind, von denen jeder Ansatz einen konvexen Abschnitt (22) der Oberfläche der Aufnahmekammer (A) bildet.5. Screw-type borehole sole motor according to claim 2, characterized in that the bushing (23) and the rod (24) are provided with ring-shaped projections (2d, 29), each projection of which has a convex section (22) of the surface of the receiving chamber ( A) forms.
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