EP0819832B1 - Tiefbohrvorrichtung, Tiefbohrpumpenvorrichtung und Verwendung eines hydrodynamischen Retarders zur Kompensation der vom Antriebssystem ausgelösten Rückstellmomente - Google Patents

Tiefbohrvorrichtung, Tiefbohrpumpenvorrichtung und Verwendung eines hydrodynamischen Retarders zur Kompensation der vom Antriebssystem ausgelösten Rückstellmomente Download PDF

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EP0819832B1
EP0819832B1 EP97111621A EP97111621A EP0819832B1 EP 0819832 B1 EP0819832 B1 EP 0819832B1 EP 97111621 A EP97111621 A EP 97111621A EP 97111621 A EP97111621 A EP 97111621A EP 0819832 B1 EP0819832 B1 EP 0819832B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
deep
blade wheel
well pump
rotor
deep drilling
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97111621A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP0819832A2 (de
EP0819832A3 (de
Inventor
Andreas Fecht
Heinz Höller
Wolfgang Weber
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Voith Turbo GmbH and Co KG
Original Assignee
Voith Turbo GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Voith Turbo GmbH and Co KG filed Critical Voith Turbo GmbH and Co KG
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Publication of EP0819832A3 publication Critical patent/EP0819832A3/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • 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
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/12—Methods or apparatus for controlling the flow of the obtained fluid to or in wells
    • E21B43/121—Lifting well fluids
    • E21B43/126—Adaptations of down-hole pump systems powered by drives outside the borehole, e.g. by a rotary or oscillating drive
    • 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
    • E21B3/00—Rotary drilling
    • E21B3/02—Surface drives for rotary drilling

Definitions

  • the invention relates to a deep drilling device, in particular with the Features from the preamble of claim 1; a Deep drilling pump device, in detail with the features from the Preamble of claim 7; also a general purpose a hydrodynamic retarder to compensate for the downforce in the Restoring torques introduced into the drive train.
  • Deep drilling devices and deep drilling pump devices are in a variety known from executions. They have in common that by means of a Drive machine with a extending over a longer distance Drilling spindle or the pump rotor coupled linkage is driven.
  • the first-mentioned device serves to provide the borehole, in which the rotor and stator are then one Deep drilling pump device for the purpose of pumping oil, for example can be introduced. In such systems, it occurs due to the Length of the rotating components, i.e. the drill pipe or the rotor, both Rotation for the occurrence of torsional forces which occur in these components are stored as restoring forces along their length.
  • the twist in Circumferential direction or the torsional stress of the driven rotating components leads when the power flow is interrupted by the Drive machine for output, for example when the Drive machine or in the event of an accident to trigger a restoring torque due to the rotatingly drivable components that are in the drive, in particular the drive machine and the components downstream of it, for example, effective in the transmission downstream of the drive machine becomes.
  • This can result in significant irreversible damage as well Lead size of the restoring torque.
  • a electric drive motor can be driven backwards and thus be harmed.
  • the drive systems are usually not designed for such high shock loads.
  • the invention is therefore based on the object of a deep drilling device and to further develop a deep drilling pump device such that the Damage due to the rotating output parts Interruption of the power flow occurring restoring moments with little constructive effort and inexpensive to be avoided.
  • the solution of the task according to the invention is for the deep drilling device by the features of claim 1 and for the Deep drilling pump device by the features of claim 8 characterized.
  • Advantageous configurations are in the subclaims played.
  • the object is achieved in that in a Deep drilling device and in the deep drilling pump device between the Drive machine and the linkage or the rotatingly driven Output parts, which can extend over a longer distance hydrodynamic retarder is arranged.
  • the hydrodynamic retarder includes a rotor impeller and a stator impeller, which are together form a toroidal work space, the blading, as such known, is executed obliquely.
  • the blade direction related to the Installation position is chosen such that the rotor blade wheel in Normal operation of the deep drilling and deep drilling pump device, i.e. in the Drilling or production operation, "fleeing" works, i.e. that the rotor paddle wheel works with rotation with freewheel effect.
  • Such a device is essentially characterized in that due to the inclined blades, the rotor blade wheel despite Filling the retarder in constant drive connection with the Drive machine and stand on a separate freewheel device Decoupling of the rotor blade wheel from the drive can be dispensed with, while only a small portion of the prime mover itself Drive power for the operation of the rotor blade wheel are applied got to.
  • the hydrodynamic retarder can therefore be used throughout Remain filled, i.e. an external inlet and outlet for filling for the case of an interruption of the power flow can be omitted.
  • the device is characterized by a low design effort and is therefore very inexpensive.
  • the retarder is preferably self-controlling.
  • a closed circuit for the operating fluid is assigned to the toroidal working space between the rotor and stator impeller. This serves to lead possibly heated equipment out of the toroidal work space and to feed it back in after cooling, or possibly to lead it via a heat exchanger (not shown here in detail) and to feed it back to the hydrodynamic retarder.
  • the exit from the toroidal work space is made possible by slots in the blade base of the stator blade wheel.
  • the equipment is supplied via appropriate devices in the stator impeller. These devices can be designed, for example, as so-called filling slots, which form a filling channel.
  • the blading of the stator impeller is preferably carried out in such a way that the blades carrying the filling slots do not run parallel with respect to their front and back.
  • the blades are made tapering from the blade base to the blade end - here from the blade base to the blade end.
  • the blade carrying the filling slot has a thickness that makes it possible to integrate the entire filling slot in the blade from the cross section. From the bottom of the blade to the end of the blade, the blade thickness becomes increasingly smaller.
  • Such a design of the filling channels makes it possible to generate an undisturbed meridian flow between the rotor and stator vane wheel in the so-called spitting operation, ie when the restoring force applied by the drilling spindle or by the pump rotor is cushioned.
  • filling channels are also conceivable, for example in In the form of filling cams or in a scoop thickened over the entire width incorporated slits.
  • An equipment container is integrated in the closed circuit. This is located above the retarder in the installed position. This makes possible es, possible leakage losses quickly through supply to the work area compensate.
  • a hydrodynamic retarder 2 is provided, i.e. between Drive machine and linkage and / or drilling spindle and pump rotor.
  • the hydrodynamic retarder 2 comprises a rotor blade wheel 3 and a Stator impeller 4, which together form a toroidal working space 5 form.
  • the hydrodynamic retarder, in particular the stator impeller 4, is stored in a housing 6.
  • the rotor paddle wheel 3 is constantly at least indirectly in drive connection with the drive machine. It can not rotatably at least indirectly with one here in detail shown drive shaft or the output components can be coupled. In the version shown it is a with the drilling spindle the deep drilling device or the pump rotor Deep drilling pump device rotatably coupled component 7.
  • the rotor blade wheel 3 and the stator blade wheel 4 have an oblique angle Blading 8 or 9, i.e. the blades are opposite the Parting plane E between the rotor 3 - and the stator vane 4 inclined arranged.
  • the blade direction i.e. the inclination of the individual blades opposite the respective blade base - for the stator blade wheel with 10, designated for the rotor blade wheel with 11 - towards the respective blade end - for the rotor blade wheel with 12 and the stator blade wheel with 13 designated, in the direction of the parting plane E is chosen such that in Normal operation, i.e.
  • Rotor blade wheel 3 when driving the drilling spindle or with it rotatably connected component 7 or the pump rotor or with this rotatably coupled component 7 via the engine Rotor blade wheel 3 is carried continuously, but due to the oblique Blading is not a closed cycle of equipment between the rotor and stator impeller can arise. How the Rotor blade wheel 3 in this operating state can be "fleeing" against the stator impeller. The resource remains essentially between the two adjacent to each other Blading the blades 9 of the rotor blade wheel 3. It does not find any Circulation in the direction of the stator vane 4 instead that a Braking reaction torque is generated.
  • the hydrodynamic retarder 2 thus works in normal operation of the drive system with the Effect of a freewheel. When designing the drive system is only which for rotation of the rotor blade wheel 3 and thus for the circulation of the Resource by the rotor blade wheel 3 low power required to consider.
  • the rotor blade wheel 3 of the hydrodynamic retarder 2 is at Reset of the drilling spindle or the pump rotor due to the at least indirectly non-rotatable connection with this or this or one with this or this connected component 7 against the Direction of rotation in normal operation - normal operation is designated II here the opposite direction of rotation with I - moves. Because of the sloping Blading the hydrodynamic retarder works like when resetting a hydrodynamic brake, i.e. in the so-called "pike" operation.
  • the toroidal working space 5 between the rotor and stator impeller a closed circuit for the operating fluid assigned, which here with 14 is designated.
  • the closed circuit 14 serves to heat Lead resources out of the toroidal work space 5 and feed it again after cooling down or possibly via a here to perform the heat exchanger, not shown in detail, and the feed hydrodynamic retarders again.
  • the exit from the Toroidal working space is via slots 15 in the blade base 10 of the Stator impeller 4 allows.
  • the equipment is supplied after cooling has taken place via appropriate devices in the stator impeller 4. These devices can be used, for example, as so-called filling slots 16 be executed, which form the filling channel.
  • the Blading of the stator blade wheel as shown in Figure 2, such that the filling slots carrying blades with respect to their front 20th - And rear 21 not parallel.
  • the The scoop base has a thickness for the scoop carrying the filling slot on, which makes it possible to cross-section the entire filling slot in the Integrate shovel. From the blade base 10 to the blade end 13, here the front edge of the blade, the blade thickness becomes increasingly smaller.
  • a device for cooling for example in the form of a heat exchanger.
  • the closed circuit 14 can also be designed such that due to its length or the possibility of intermediate storage of the Equipment is already cooled. On an external cooling circuit can therefore be dispensed with.
  • hydrodynamic Retarders For the design and integration of the hydrodynamic Retarders have a variety of options. Is essential to the invention however, an arrangement of a hydrodynamic retarder in one Deep drilling device between the drive machine and the drilling spindle, and in one Deep drilling pump device between the engine and the Pump rotor.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Tiefbohrvorrichtung, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1; eine Tiefbohrpumpenvorrichtung, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 7; ferner allgemein einen Verwendungszweck eines hydrodynamischen Retarders zur Kompensation vom Abtrieb in den Antriebsstrang eingebrachter Rückstellmomente.
Tiefbohrvorrichtungen und Tiefbohrpumpenvorrichtungen sind in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt. Ihnen ist gemeinsam, daß mittels einer Antriebsmaschine ein sich über eine längere Distanz erstreckendes mit einer Bohrspindel oder dem Pumpenrotor gekoppeltes Gestänge angetrieben wird. Die erstgenannte Vorrichtung dient dabei der Bereitstellung des Bohrloches, in welches anschließend der Rotor- und der Stator einer Tiefbohrpumpenvorrichtung zum Zweck der Förderung von beispielsweise Öl eingebracht werden können. Bei derartigen Systemen kommt es aufgrund der Länge der rotierenden Bauteile, d.h. des Bohrgestänges bzw. des Rotors, beideren Rotation zum Auftreten von Torsionskräften, welche in diesen Bauteilen über deren Länge als Rückstellkräfte gespeichert werden. Die Verdrehung in Umfangsrichtung bzw. die Torsionsbeanspruchung der angetriebenen rotierenden Bauteile führt bei Unterbrechung des Kraftflusses von der Antriebsmaschine zum Abtrieb, beispielsweise bei Abschaltung der Antriebsmaschine oder im Havariefall zur Auslösung eines Rückstellmomentes durch die rotierend antreibbaren Bauteile, das in den Antrieb, insbesondere die Antriebsmaschine und den dieser nachgeordneten Bauteilen, beispielsweise im der Antriebsmaschine nachgeschalteten Getriebe wirksam wird. Dies kann zu erheblichen auch irreversiblen Schädigungen je nach Größe des Rückstellmomentes führen. Insbesondere beim Einsatz eines elektrischen Antriebsmotors kann dieser rückwärts angetrieben und damit geschädigt werden. Insbesondere sind die Antriebssysteme meist auch nicht für derartig hohe stoßartig auftretende Belastungen ausgelegt.
Zur Lösung dieses Problems ist in der US 5,358,036 für den Anwendungsfall einer Tiefbohrpumpenvorrichtung eine mittels Druckmittel betätigbare Scheibenbremseinrichtung offenbart, welche zwischen Antriebsmaschine und anzutreibenden Gestänge angeordnet ist. Der zur Betätigung erforderliche Druck wird durch eine Pumpeneinrichtung erzeugt. Die Pumpeneinrichtung ist im Antriebsstrang derart angeordnet, daß diese in Abhängigkeit der Drehrichtung des anzutreibenden Gestänges durch dessen Verdrehung in Betrieb genommen wird und damit die Scheibenbremseinrichtung betätigt.
Eine derartige Lösung zeichnet sich jedoch durch einen erheblichen konstruktiven Aufwand und damit erhöhte Kosten aus. Auch sind die die Abfederung des Rückstellmomentes und damit die die Bremswirkung realisierenden Bauteile aufgrund der mechanischen Beanspruchung einem hohen Verschleiß unterworfen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Tiefbohrvorrichtung und eine Tiefbohrpumpenvorrichtung derart weiterzuentwickeln, daß die Schädigungen aufgrund der durch die rotierenden Abtriebsteile bei Unterbrechung des Kraftflusses auftretenden Rückstellmomente mit geringem konstruktiven Aufwand und kostengünstig vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist für die Tiefbohrvorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 1 und für die Tiefbohrpumpenvorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 8 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer Tiefbohrvorrichtung und in der Tiefbohrpumpenvorrichtung zwischen der Antriebsmaschine und dem Gestänge bzw. den rotierend antreibbaren Abtriebsteilen, welche sich über eine längere Distanz erstrecken können, ein hydrodynamischer Retarder angeordnet ist. Der hydrodynamische Retarder umfaßt ein Rotorschaufelrad und ein Statorschaufelrad, welche miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden, wobei die Beschaufelung, wie an sich bekannt, schräg ausgeführt ist. Die Schaufelrichtung bezogen auf die Einbaulage wird dabei derart gewählt, daß das Rotorschaufelrad im Normalbetrieb der Tiefbohr- und der Tiefbohrpumpenvorrichtung, d.h. im Bohr- bzw. Förderbetrieb, "fliehend" arbeitet, d.h. daß das Rotorschaufelrad bei Rotation mit Freilaufwirkung arbeitet. Bei Auftreten der Rückstellmomente arbeitet das Rotorschaufelrad gegenüber dem Statorschaufelrad spießend, d.h. es wird ein dem Rückstellmoment enntgegengerichtetes Moment erzeugt. Eine derartige Vorrichtung zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, daß aufgrund der schräg ausgeführten Beschaufelung das Rotorschaufelrad trotz Befüllung des Retarders in ständiger Triebverbindung mit der Antriebsmaschine stehen und auf eine separate Freilaufeinrichtung zur Entkopplung des Rotorschaufelrades vom Antrieb verzichtet werden kann, während von der Antriebsmaschine selbst nur ein geringer Teil an Antriebsleistung für den Betrieb des Rotorschaufelrades aufgebracht werden muß. Der hydrodynamische Retarder kann deshalb während des gesamten Betriebes befüllt bleiben, d.h. ein externer Zu- und Ablauf für die Befüllung für den Fall der Unterbrechung des Kraftflusses kann entfallen. Eine derartige Vorrichtung zeichnet sich durch einen geringen konstruktiven Aufwand aus und ist daher sehr kostengünstig.
Der Retarder arbeitet vorzugsweise selbststeuernd.
Dem torusförmigen Arbeitsraum zwischen Rotor- und Statorschaufelrad ist ein geschlossener Kreislauf für das Betriebsfluid zugeordnet. Dieser dient dazu, evt. erwärmtes Betriebsmittel aus dem torusförmigen Arbeitsraum herauszuführen und diesem nach Abkühlung direkt wieder zuzuführen oder eventuell über einen hier, im einzelnen nicht dargestellten Wärmetauscher zu führen und dem hydrodynamischen Retarder wieder zuzuführen. Der Austritt aus dem torusförmigen Arbeitsraum wird über Schlitze im Schaufelgrund des Statorschaufelrades ermöglicht. Die Zufuhr des Betriebsmittels erfolgt über entsprechende Einrichtungen im Statorschaufelrad. Diese Einrichtungen können beispielsweise als sogenannte Füllschlitze ausgeführt sein, die einen Füllkanal bilden. Zu diesem Zweck ist die Beschaufelung des Statorschaufelrades vorzugsweise derart ausgeführt, daß die Füllschlitze tragenden Schaufeln bezüglich ihrer Vorder - und Rückseite nicht parallel verlaufen. Im besonderen werden die Schaufeln vom Schaufelgrund ausgehend zum Schaufelende - hier also vom Schaufelgrund zum Schaufelende - hin, verjüngend ausgeführt. Im Schaufelgrund weist dabei die den Füllschlitz tragende Schaufel eine Stärke auf, die es ermöglicht, den gesamten Füllschlitz vom Querschnitt her in der Schaufel zu integrieren. Vom Schaufelgrund zum Schaufelende hin, verkleinert sich die Schaufeldicke zunehmend. Lediglich im Bereich des sich im wesentlichen vom Schaufelgrund zur Schaufelvorderkante hin erstreckenden Füllkanales erfolgt entsprechend der Kontur bzw. der Größe des Füllschlitzes bzw. des Füllkanales eine örtliche Ausbuchtung bzw. Auswölbung an der Schaufel. Diese bleibt jedoch im wesentlichen im Bereich des Schaufelendes bzw. der Schaufelvorderkante angeordnet. Die Anzahl und die Größe der Füllschlitze sowie deren Ausführung richtet sich im wesentlichen nach der gewünschten Zeit zum Füllen des Retarderkreislaufes und dem geforderten Flüssigkeitsdurchsatz zur Abfuhr der entwickelten Wärme. Eine derartige Ausführung der Füllkanäle ermöglicht es, im sogenannten spießenden Betrieb, d.h. beim Abfedern der von der Bohrspindel oder vom Pumpenrotor aufgebrachten Rückstellkraft, eine ungestörte Meridianströmung zwischen Rotor- und Statorschaufelrad zu erzeugen.
Andere Ausführungen der Füllkanäle sind ebenfalls denkbar, beispielsweise in Form von Füllnocken oder in eine über die gesamte Breite verdickte Schaufel eingearbeitete Schlitze.
Im geschlossen ausgeführten Kreislauf ist ein Betriebsmittelbehältnis integriert. Dieses ist in Einbaulage oberhalb des Retarders angeordnet. Dies ermöglicht es, evt. Leckageverluste schnell durch Zuführung zum Arbeitsraum auszugleichen.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen Ausschnitt aus einem Antriebssystem, einsetzbar sowohl für eine Tiefbohrvorrichtung als auch eine Tiefbohrpumpenvorrichtung in Einbaulage;
Fig. 2
eine Ansicht A-A gemäß Fig. 1 auf ein Statorschaufelrad.
Die Figur 1 verdeutlicht einen Ausschnitt aus einem Antriebssystem 1, wie es für eine Tiefbohrvorrichtung oder eine Tiefbohrpumpenvorrichtung einsetzbar ist. Dieses umfaßt, hier im einzelnen nicht dargestellt, eine Antriebsmaschine und wenigstens ein, wenigstens mittelbar über die Antriebsmaschine rotierend antreibbares Abtriebsbauteil. Dieses ist
  • a) im Fall der Tiefbohrvorrichtung als Bohrspindel, bzw.
  • b) im Fall der Tiefbohrpumpenvorrichtung als Pumpenrotor, der beispielsweise als Schraubenspindel ausgeführt sein kann, ausgeführt.
    • Im allgemeinen wird die Bohrspindel und der Pumpenrotor nicht direkt mit der Antriebswelle der Antriebsmaschine sondern über ein Gestänge gekoppelt sein. Das Gestänge wird in diesem Fall ebenfalls als Bestandteil des Abtriebs angesehen.
    Erfindungsgemäß ist zwischen der Antriebsmaschine und dem Abtriebsbauteil ein hydrodynamischer Retarder 2 vorgesehen, d.h. zwischen Antriebsmaschine und Gestänge und/oder Bohrspindel und Pumpenrotor. Der hydrodynamische Retarder 2 umfaßt ein Rotorschaufelrad 3 und ein Statorschaufelrad 4, welche miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum 5 bilden. Der hydrodynamische Retarder, insbesondere das Statorschaufelrad 4, ist in einem Gehäuse 6 gelagert. Das Rotorschaufelrad 3 steht ständig wenigstens mittelbar mit der Antriebsmaschine in Triebverbindung. Es kann dazu drehfest wenigstens mittelbar mit einer hier im einzelnen nicht dargestellten Antriebswelle oder den Abtriebsbauteilen gekoppelt sein. In der dargestellten Ausführung handelt es sich um ein mit der Bohrspindel der Tiefbohrvorrichtung oder dem Pumpenrotor einer Tiefbohrpumpenvorrichtung drehfest gekoppeltes Bauteil 7.
    Das Rotorschaufelrad 3 und das Statorschaufelrad 4 weisen eine schräge Beschaufelung 8 bzw. 9 auf, d.h. die Schaufeln sind gegenüber der Trennebene E zwischen dem Rotor 3 - und dem Statorschaufelrad 4 geneigt angeordnet. Die Schaufelrichtung, d.h. die Neigung der einzelnen Schaufeln gegenüber dem jeweiligen Schaufelgrund - für das Statorschaufelrad mit 10, für das Rotorschaufelrad mit 11 bezeichnet - zum jeweiligen Schaufelende hin - für das Rotorschaufelrad mit 12 und das Statorschaufelrad mit 13 bezeichnet, in Richtung der Trennebene E ist derart gewählt, daß im Normalbetrieb, d.h. beim Antrieb der Bohrspindel bzw. des mit diesem drehfest verbundenen Bauteiles 7 oder des Pumpenrotors bzw. des mit diesem drehfest gekoppelten Bauteiles 7 über die Antriebsmaschine das Rotorschaufelrad 3 fortlaufend mitgeführt wird, jedoch aufgrund der schrägen Beschaufelung sich kein geschlossener Kreislauf von Betriebsmittel zwischen dem Rotor- und Statorschaufelrad entstehen kann. Die Arbeitsweise des Rotorschaufelrades 3 in diesem Betriebszustand kann als "fliehend" gegenüber dem Statorschaufelrad bezeichnet werden. Das Betriebsmittel verbleibt im wesentlichen zwischen den zwei einander benachbarten Schaufeln der Beschaufelung 9 des Rotorschaufelrades 3. Es findet keine Umwälzung in Richtung des Statorschaufelrades 4 dahingehend statt, daß ein Bremsreaktionsmoment erzeugt wird. Der hydrodynamische Retarder 2 arbeitet somit im Normalbetrieb des Antriebssystems im wesentlichen mit der Wirkung eines Freilaufes. Bei der Auslegung des Antriebssystems ist lediglich die zur Rotation des Rotorschaufelrades 3 und damit die zur Umwälzung des Betriebsmittels durch das Rotorschaufelrad 3 geringe erforderliche Leistung zu berücksichtigen.
    Im Normalbetrieb wird das Drehmoment von der Antriebsmaschine auf das rotierend antriebbare Abtriebsbauteil -
  • a) im Fall der Tiefbohrvorrichtung auf die mehrere hundert Meter lange Bohrspindel und
  • b) im Fall der Tiefbohrpumpenvorrichtung auf den sich ebenfalls über eine erhebliche Distanz erstreckenden Pumpenrotor -
    • übertragen. Dies führt dazu, daß aufgrund der Länge der Abtriebsbauteile diese der Torsion ausgesetzt sind. Die Torsionskräfte werden in den Abtriebsbauteilen gespeichert. Die Verdrehung der Abtriebsbauteile in Rotationsrichtung führt dazu, daß diese beim Abschalten der Antriebsmaschine einer Rückstellkraft ausgesetzt sind bzw. ein Rückstellmoment gegenüber der Antriebsmaschine auslösen. Das Rückstellmoment führt zur Lösung der Verdrehung, was je nach Größe zu einer stoßartigen Belastung der Antriebsmaschine und der dieser nachgeschalteten Bauteile führen kann.
    Das Rotorschaufelrad 3 des hydrodynamischen Retarders 2 wird bei Rückstellung der Bohrspindel bzw. des Pumpenrotors aufgrund der wenigstens mittelbar drehfesten Verbindung mit dieser bzw. diesem oder einem mit dieser bzw. diesem verbundenem Bauteil 7 entgegen der Drehrichtung im Normalbetrieb - der Normalbetrieb ist hier mit II bezeichnet, die entgegengesetzte Drehrichtung mit I - bewegt. Aufgrund der schrägen Beschaufelung arbeitet der hydrodynamische Retarder beim Rückstellen wie eine hydrodynamische Bremse, d.h. im sogenannten "spießenden" Betrieb.
    Entsprechend des Füllungsgrades und der Umfangsgeschwindigkeit im Bereich der Lagerung des Rotorschaufelrades 3 wird ein bestimmtes Bremsmoment am Statorschaufelrad 4 erzeugt, daß dem Rückstellmoment entgegengesetzt gerichtet ist und damit der Abfederung des Rückstellmomentes dient.
    Da der hydrodynamische Retarder 2 aufgrund der schrägen Beschaufelung und der Möglichkeit, entsprechend der Schaufelrichtung eine Freilaufwirkung zu erzielen, ständig befüllt sein kann, ist das Vorsehen eines separaten Zuund Abflusses für den Normalbetrieb II des gesamten Antriebssystems nicht erforderlich. Im Normalbetrieb, d.h. beim Antrieb der Bohrspindel oder des Pumpenrotors über die Antriebsmaschine, wird das Betriebsfluid vom Rotorschaufelrad 3 mitgeführt und umgewälzt. Ein sogenannter Arbeitskreislauf zwischen dem Rotor- und dem Statorschaufelrad 3 bzw. 4 wird lediglich im Falle der Rückstellung der Bohrspindel oder des Pumpenrotors erzeugt.
    Dem torusförmigen Arbeitsraum 5 zwischen Rotor- und Statorschaufelrad ist ein geschlossener Kreislauf für das Betriebsfluid zugeordnet, welcher hier mit 14 bezeichnet ist. Der geschlossene Kreislauf 14 dient dazu, erwärmtes Betriebsmittel aus dem torusförmigen Arbeitsraum 5 herauszuführen und diesem nach Abkühlung direkt wieder zuzuführen oder eventuell über einen hier, im einzelnen nicht dargestellten Wärmetauscher zu führen und dem hydrodynamischen Retarder wieder zuzuführen. Der Austritt aus dem torusförmigen Arbeitsraum wird über Schlitze 15 im Schaufelgrund 10 des Statorschaufelrades 4 ermöglicht. Die Zufuhr des Betriebsmittels erfolgt nach erfolgter Kühlung über entsprechende Einrichtungen im Statorschaufelrad 4. Diese Einrichtungen können beispielsweise als sogenannte Füllschlitze 16 ausgeführt sein, die den Füllkanal bilden. Zu diesem Zweck ist die Beschaufelung des Statorschaufelrades, wie in Figur 2 dargestellt, derart ausgeführt, daß die Füllschlitze tragenden Schaufeln bezüglich ihrer Vorder 20 - und Rückseite 21 nicht parallel verlaufen. Im besonderen werden die Schaufeln vom Schaufelgrund ausgehend zum Schaufelende - hier also vom Schaufelgrund 10 zum Schaufelende 13 - hin, verjüngend ausgeführt. Im Schaufelgrund weist dabei die den Füllschlitz tragende Schaufel eine Stärke auf, die es ermöglicht, den gesamten Füllschlitz vom Querschnitt her in der Schaufel zu integrieren. Vom Schaufelgrund 10 zum Schaufelende 13, hier der Schaufelvorderkante, hin, verkleinert sich die Schaufeldicke zunehmend. Lediglich im Bereich des sich im wesentlichen vom Schaufelgrund 10 zur Schaufelvorderkante hin erstreckenden Füllkanales erfolgt entsprechend der Kontur bzw. der Größe des Füllschlitzes bzw. des Füllkanales eine örtliche Ausbuchtung bzw. Auswölbung an der Schaufel. Diese bleibt jedoch im wesentlichen im Bereich des Schaufelendes bzw. der Schaufelvorderkante angeordnet. Die Anzahl und die Größe der Füllschlitze 16 sowie deren Ausführung richtet sich im wesentlichen nach der gewünschten Zeit zum Füllen des Retarderkreislaufes und dem geforderten Flüssigkeitsdurchsatz zur Abfuhr der entwickelten Bremswärme. Eine derartige Ausführung der Füllkanäle ermöglicht es, im sogenannten spießenden Betrieb, d.h. beim Abfedern der von der Bohrspindel aufgebrachten Rückstellkraft, eine ungestörte Meridianströmung zwischen Rotor- und Statorschaufelrad zu erzeugen.
    Neben den hier dargestellten vorteilhaften Ausführungen der Füllschlitze ist es ebenfalls denkbar, die Beschaufelung des Statorschaufelrades mit Füllschlitzen derart zu versehen, daß entweder lediglich der Bereich der Füllschlitze vom Schaufelgrund zum Schaufelende hin verstärkt oder aber die gesamte Schaufel, welche die Füllschlitze trägt, verdickt ausgeführt ist. Diese beiden letztgenannten Möglichkeiten bewirken jedoch das Entstehen von Verwirbelungen und Abreißen der Strömung im Bereich dieser derart gestalteten Schaufeln im spießenden Betrieb.
    In dem geschlossenen Kreislauf 14 kann eine Einrichtung zur Kühlung, beispielsweise in Form eines Wärmetauschers, angeordnet sein. Der geschlossene Kreislauf 14 kann jedoch auch derart gestaltet werden, daß aufgrund von dessen Länge bzw. der Möglichkeit der Zwischenlagerung des Betriebsmittels bereits eine Kühlung erfolgt. Auf einen externen Kühlkreislauf kann daher verzichtet werden.
    Für die konstruktive Ausgestaltung und Einbindung des hydrodynamischen Retarders gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Erfindungswesentlich ist jedoch eine Anordnung eines hydrodynamischen Retarders in einer Tiefbohrvorrichtung zwischen Antriebsmaschine und Bohrspindel, und in einer Tiefbohrpumpenvorrichtung zwischen Antriebsmaschine und dem Pumpenrotor.

    Claims (8)

    1. Tiefbohr- oder Tiefbohrpumpenvorrichtung, umfassend
      1.1 eine Antriebsmaschine;
      1.2 ein von der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar antreibbares Bauteil (7);
      1.3 das antreibbare Bauteil (7) ist entweder eine Bohrspindel oder ein Gestänge mit einem wenigstens mittelbar angekoppelten und antreibbaren Pumpenrotor;
      1.4 eine zwischen Antriebsmaschine und dem antreibbaren Bauteil (7) angeordnete Einrichtung zur Kompensation der bei Änderung des Betriebszustandes möglichen auftretenden Rückstellmomente am antreibbaren Bauteil (7);
      gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
      1.5 die Einrichtung ist als hydrodynamischer Retarder (2), umfassend ein Rotor (3)- und ein Statorschaufelrad (4), ausgeführt;
      1.6 Rotorschaufelrad (3) und Statorschaufelrad (4) bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum (5), welcher bei Betrieb der Tiefbohr- oder Tiefbohrpumpenvorrichtung stets befüllt ist;
      1.7 das Rotorschaufelrad (3) steht wenigstens mittelbar mit der Antriebsmaschine in ständiger Triebverbindung;
      1.8 die Beschaufelung (8, 9) von Rotor (3) - und Statorschaufelrad (4) ist derart geneigt gegenüber einer Trennebene zwischen dem Rotor (3)- und dem Statorschaufelrad (4) ausgeführt, daß aufgrund der Schaufelrichtung (10, 11)
      1.8.1 in der Betriebsweise des Antriebes des antreibbaren Bauteiles (7) das Rotorschaufelrad (3) im wesentlichen im Freilauf rotiert, und
      1.8.2 im Fall der Unterbrechung des Kraftflusses beim Auftreten von Rückstellmomenten am antreibbaren Bauteil (7) zwischen Rotorschaufelrad (3) und Statorschaufelrad (4) ein Bremsmoment erzeugt wird.
    2. Tiefbohr- oder Tiefbohrpumpenvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
      2.1 das Statorschaufelrad (4) weist im Schaufelgrund (10) schlitzförmige Öffnungen (15) auf;
      2.2 der Beschaufelung (8) des Statorschaufelrades (4) sind Einrichtungen zur Befüllung des hydrodynamischen Retarders (2) zugeordnet;
      2.3 die schlitzförmigen Öffnungen (15) und die Einrichtungen zur Befüllung sind miteinander über einen Kreislauf gekoppelt.
    3. Tiefbohr- oder Tiefbohrpumpenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf als geschlossener Kreislauf ausgeführt ist.
    4. Tiefbohr- oder Tiefbohrpumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Retarder frei von einem externen Kühlkreislauf ist.
    5. Tiefbohr- oder Tiefbohrpumpenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im geschlossenen Kreislauf ein Wärmetauscher vorgesehen ist.
    6. Tiefbohr- oder Tiefbohrpumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
      6.1 in der Beschaufelung (8) des Statorschaufelrades (4) sind Füllkanäle (16) integriert;
      6.2 die Füllkanäle (16) tragenden Schaufeln sind vom Schaufelgrund (10) bis hin zur Schaufelvorderkante (13) verjüngend ausgeführt;
      6.3 im Bereich der Schaufelvorderkante (13) ist in der Rückseite der Schaufel eine örtliche Verdickung für den Füllkanal (16) vorgesehen.
    7. Tiefbohr- oder Tiefbohrpumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Einbaulage des hydrodynamischen Retarders (2) im Kreislauf ein Hochbehälter vorgesehen ist, welcher einen bestimmten Betriebsmittelspiegel aufweist.
    8. Verwendung eines hydrodynamischen Retarders (2) in einer Tiefbohr- oder Tiefbohrpumpenvorrichtung zwischen einer Antriebsmaschine und einem rotierend antreibbaren Abtrieb zur Kompensation vom Abtrieb im Fall der Unterbrechung des Kraftflusses im Antriebssystem (1) ausgelöster Rückstellmomente.
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