SE2130146A1 - Rotationsenhet för borrning - Google Patents

Abstract

Rotationsenhet för borrning innefattande motor, reducerväxel och utgående axel anordnade i följd med gemensam centrumaxel i ett cylindriskt hölje dimensionerat för att införas i borrhålet. Motorn är en vätskedriven kugghjulsmotor innefattande centralhjul (6) och ett eller flera planethjul (7) vilka står i deplacerande kuggingrepp med centralhjulet, och vari motorns centralhjul är via ett axelparti (11) vridfast förbundet med solhjulet (12) av en efterkopplad planetväxel (13) vars planetbärare (24) står i rotationsöverförande ingrepp, direkt eller indirekt, med den utgående axeln (17).

Description

Rotationsenhet för borrning UPPFINNINGENS TEKNISKA OMRÅDE Föreliggande uppfinning avser en rotationsenhet för borrning innefattande motor, reducerväxel och utgående axel anordnade i följd med gemensam centrumaxel i ett cylindriskt hölje dimensionerat för att införas i borrhålet.

BAKGRUND OCH KÄND TEKNIK Uppfinningen hänför sig närmare bestämt till en rotationsenhet för borrning anpassad till den typ av öppna hydrauliska system vilka utnyttjar vatten, eller annan miljövänlig vätska, både som drivmedium och som spolmedium för att transportera bort borrdamm ur borrhålet. En rotationsenhet enligt uppfinningen kan till exempel utnyttjas i samband med borrning eller slagborrning i mark och berg.

Det är ett känt problem hos vattendrivna system att avsaknaden av smörjmedel typiskt måste kompenseras genom större spel mellan kontaktytor i rörelse, vilket i sin tur vanligtvis resulterari läckage och en därmed sammanhängande reducerad verkningsgrad.

UPPFINNINGEN I KORTHET Föreliggande uppfinning syftar till att utforma en av vatten eller annan miljövänlig vätska driven rotationsenhet för borrning på sådant sätt att den levererar både lågt läckage och hög verkningsgrad.

Syftet uppfylls genom en rotationsenhet av inledningsvis nämnt slag, vari motorn är en vätskedriven kugghjulsmotor innefattande centralhjul och ett eller flera planethjul vilka står i deplacerande kuggingrepp med centralhjulet, och vari motorns centralhjul är via ett axelparti vridfast förbundet med solhjulet av en efterkopplad planetväxel vars planetbärare står i rotationsöverförande ingrepp, direkt eller indirekt, med den utgående axeln.

En teknisk effekt och fördel som tillhandahålls av den föreslagna kombinationen kugghjulsmotor och planetväxel är att varvtalet hos utgående axel kan reduceras väsentligt trots minimal axiell längd hos aggregatet.

Som exempel på detta kan ett utförande av rotationsenheten innefatta en kugghjulsmotor vari varvtalsförhållandet mellan planethjul och centralhjul är 2,5:1, eller med andra ord vari centralhjulet uppvisar 2,5 gånger antalet kuggar hos planethjulet. Detta förhållande kan resultera i en nedväxling från ett varvtal hos planethjulen om 4000 rpm till 1600 rpm hos centralhjulet, t.ex. Om i den efterkopplade planetväxeln solhjul och planeter har inbördes samma antal kuggar erhålls ett varvtalsförhållande om 4:1. Varvtalet hos den utgående axeln är i detta utförande således nedväxlat till 400 rpm.

Det skall tilläggas, att genom tillkoppling av en andra planetväxel i serie med den första kan på motsvarande sätt varvtalet hos den utgående axeln reduceras till 100 rpm, t.ex.

En annan teknisk effekt och fördel som tillhandahålls av den föreslagna kombinationen är att aggregatet kan inrymmas i ett omslutande cylindriskt hölje av reducerad axiell längd. En bidragande orsak till aggregatets korta längd är utformningen av kugghjulsmotorn hos vilken centralhjulet drivs av planethjul av väsentligt mindre radie, och som därför kan fördelas runt centralhjulet i en kompakt enhet av minimerad längd med ett bibehållet effektivt och arbetande kuggingrepp, och med en verkningsgrad som motsvarar verkningsgraden hos en betydligt längre, konventionellt utformad kugghjulsmotor.

Ett avlopp för drivvätska är anordnat att mynna i utsidan av nämnda axelparti, för att därifrån leda in till en centralt belägen utloppskanal som löper axiellt från axelpartiet, genom solhjulet och den utgående axeln. Axelpartiet mellan kugghjulsmotorns centralhjul och solhjulet av den efterkopplade planetväxeln verkar därför som en svivel vilken sammanför kugghjulsmotorns drivflöden och för in avloppsvattnet i den centrala utloppskanalen.

I ett utförande är motorns centralhjul och planethjulen vridbart lagrade, dels i en uppströms belägen motorrumsgavel och dels i en nedströms belägen motorrumsgavel sett i drivvätskans flödesriktning, varvid den uppströms belägna motorrumsgaveln innefattar ett inlopp för drivvätska för vart och ett av planethjulen och den nedströms belägna motorrumsgaveln innefattar ett utlopp för drivvätska för vart och ett av planethjulen, varvid utloppen mynnar i ett ringformigt hålrum som är öppet mot nämnda axelparti.

Genom det ringformade hålrummet står axelpartiets avloppsmynning i ständig förbindelse med drivvätskan så att ett obrutet flöde kan upprätthållas genom den centrala utloppskanalen. Övriga detaljer, fördelar och tekniska effekter samt särdrag hos uppfinningen framgår av nedanstående detaljerade beskrivning och de efterföljande osjälvständiga patentkraven.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGAR Utföringsformer av uppfinningen förklaras närmare nedan med hänvisning till bilagda schematiska ritningar, vari Fig. 1 är ett längdsnitt i snittplanet l-l av Fig. 3, gående genom centrum av en rotationsenhet för borrning enligt föreliggande uppfinning, Fig. 2 är ett tvärsnitt i snittplanet ll-ll av Fig. 1, sett i vätskans flödesriktning genom rotationsenheten från vänster till högeri Fig. 1, Fig. 3 är ett tvärsnitt i snittplanet lll-lll av Fig. 1 sett i motsatt riktning till vätskans flödesriktning genom rotationsenheten, och Fig. 4 är ett bortbrutet parti av längdsnittet av Fig. 1 visat i större skala och med alternativt utförande av en i uppfinningen ingående planetväxel.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSEXEIVIPEL Inledningsvis skall noteras att ritningsfigurerna är schematiska och i första hand ägnade att komplettera beskrivningstexten. För enkelhets skull är ingrepp mellan kuggar i motor och planetväxlar illustrerade genom korsvis snittmarkering, med undantag för Fig. 2 vari kuggkransar på solhjul och planethjul indikeras medelst två koncentriska cirklari hjulens periferier.

Fig. 1 är ett axiellt snitt genom centrumaxeln CL av en rotationsenhet 1 avsedd för borrning. Rotationsenheten 1 består av ett cylindriskt hölje 2 vars utvändiga diameter överensstämmer med diametern hos ett borrör (ej visat) som kan anslutas i den enligt ritningen vänstra änden av rotationsenheten 1. I nämnda ände föreligger en samlingskammare 3 till vilken drivvätska, företrädesvis vatten, matas vid högt tryck. Vattnets tryck i kammaren 3 kan uppgå till storleksordningen ca 180 bar. I vattnets flödesriktning, från vänster till högeri Fig. 1, är nedströms om samlingskammaren 3 anordnad en första motorrumsgavel 4, vilken tillsammans med en nedströms om densamma anordnad andra motorrumsgavel 5 bildar ett cylindriskt motorrum, med en omslutande cylindrisk vägg som utgörs av en del-längd av det omgivande höljet I motorrummet är en kugghjulsmotor anordnad för att drivas i rotation av det trycksatta vattnet i samlingskammaren 3. Motorns axiella utsträckning i rotationsenheten illustreras med dubbelpilen M. Kugghjulsmotorn innefattar ett centralhjul 6 vilket ståri kuggingrepp med ett antal planethjul 7, samtliga lagrade för rotation i de första och andra motorrumsgavlarna 4 och 5. Centralhjulets och planethjulens kuggar är på i sig känt sätt utformade för ett vätskedeplacerande ingrepp.

Här skall noteras att Fig. 1 visar ett utförande av kugghjulsmotorn som i själva verket innefattar fyra planethjul 7 anordnade med ett inbördes vinkelavstånd om 90°, varav dock endast två kan återges i ett längdsnitt genom centrumaxeln CL. lnloppskanaler 8 för kontinuerlig matning av trycksatt vatten till motorn, vid drift, är upptagna genom den första motorrumsgaveln 4, medan utloppskanaler 9 för kontinuerlig utmatning av vatten från motorn är upptagna genom den andra motorrumsgaveln 5. Samtliga kuggingrepp mellan centralhjulet och de omgivande planethjulen är tillordnade separata inlopps- och utloppskanaler för genomströmmande vatten, varvid dessa inlopps- och utloppskanaler 8 respektive 9 är inbördes vinkelförskjutna runt centrumaxeln. Vinkelförskjutningens karaktär illustreras schematiskt med streckade linjeri Fig.

För tydlighets skull skall förklaras att tilloppet till den övre inloppskanalen 8 i Fig. 1 befinner sig i den bortbrutna delen av snittvyn och återges därför inte i Fig. 1, medan tilloppet till den nedre tilloppskanalen 8 i Fig. 1 befinner sig i godset av motorrumsgaveln 4 och är därför skymd och illustrerad med streckade linjer.

Utloppskanalerna 9 mynnar i ett ringformat hålrum 10 i vilket de enskilda utloppsflödena sammanförs i ett kontinuerligt vätskefyllt utrymme. Hålrummet 10 kan vara utfört som en ursvarvning i den nedströms vända sidan av den andra motorrumsgaveln 5. Hålrummetkan alternativt utgöras av en outnyttjad tom sektion av rotationsenheten.

Från nedströms ände av centralhjulet 6 utgår ett axelparti 11, vilket sträcker sig genom den andra motorrumsgaveln 5 och förbi hålrummet 10. Via axelpartiet 11 är kugghjulsmotorns centralhjul 6 vridfast förbundet med ett solhjul 12 av en första efterkopplad planetväxel 13 (se dubbelpilen 13). Solhjulet 12 och centralhjulet 6 kan vara kopplade inbördes medelst gängförbindning i en delning 14 genom axelpartiet I utsidan av axelpartiet 11 mynnar ett inlopp 15 som sträcker sig i radiell riktning in till en central, genom axelpartiet 11 och solhjulet 12 löpande dräneringskanal 16. Dräneringskanalen 16 fortsätter genom en i rotation driven utgående axel 17, för att mynna i den utgående axelns nedströms belägna ände 18. Nämnda ände uppvisar lämpligen kopplingsorgan, exempelvis i form av en gänga 19, för montering av borrkrona eller annat verktyg i änden av den utgående axeln 17. Dräneringskanalen 16 leder vattnet till borrkronan i och för spolning av borrhålet. Dräneringskanalen 16 kan därmed också anses utgöra en spolvattenkanal.

För utjämning av det axiella tryck som vattnet utövar mot centralhjulet 6 är en tryckutjämningskanal 20 lämpligen anordnad genom centralhjulet för att tryckmässigt förbinda centralhjulets båda ändplan 21 och I ett utförande är planethjulen 23 av den första planetväxeln 13 roterbart lagrade i en planetbärare 24, vilken i sin tur är vridfast förbunden med solhjulet 25 av en andra efterkopplad planetväxel 26 (se dubbelpilen 26). Planetbäraren 24 och solhjulet 25 kan såsom visas i Fig. 1 vara utförda med axeltappar 27 respektive 28 som är vridbart mottagna i säten av motsvarande form, anordnade i solhjulet 12 respektive i en till den andra planetväxeln hörande planetbärare 29. Planethjulen 30 av den andra planetväxeln är roterbart lagrade i nämnda planetbärare 29, vilken i sin tur är vridfast förbunden med den utgående axeln I detta sammanhang skall noteras att Fig. 1 och 2 visar ett utförande av planetväxlarna som innefattar fyra planethjul 23 eller 30 anordnade med ett inbördes vinkelavstånd om 90°, varav dock endast två kan återges i ett längdsnitt genom centrumaxeln CL.

Uppfinningen är emellertid inte begränsad till det visade utförandet, utan innefattar generellt utnyttjandet av två eller flera planethjul i en eller flera planetväxlar verksamt kopplade till en vätskedriven kugghjulsmotor innehållande ett centralhjul som är tillordnat två eller flera planethjul.

Den utgående axeln 17 är styrd och lagrad i en bussning 31 viken är instucket monterad i den nedströms belägna änden av höljet 2. En på den utgående axeln 17 monterad fläns 32 har en axiellt förlängd cylindrisk vägg 33 vilken omsluter bussningen 31 och möter höljet 2 under samma utvändiga diameter, varigenom rotationsenheten uppvisar en obruten periferi i hela sin längd. Den utgående axeln uppbär med andra ord en cirkulär fläns med en axiellt utsträckt cylindrisk vägg som vid drift bildar en roterande del av rotationsenhetens utsida Det skall noteras att planetväxlarnas utvändiga kuggkrans 34 kan vara instucket monterad i höljet 2, men att den också alternativt kan vara integrerat formad i insidan av höljet 2. Kuggkransen 34 kan såsom visas i Fig. 1 sträcka sig i obruten längd genom den första och den andra planetväxeln. I utföranden med fler än två planetväxlar kan samtliga vara tillordnade en gemensam kuggkrans.

Den ovan beskrivna lösningen för en i ett borrhål nedsänkbar eller inskjutbar rotationsenhet för borrning resulterar i ett kort aggregat med korta kuggsegment, mindre deplacement och korta flödesvägar för vattnet. Genom nedväxling av varvtalet i två eller flera steg kan motorn dimensioneras att arbeta vid ett högre varvtal och samtidigt leverera verksamt moment till den utgående axeln. Den kompakta uppbyggnaden av motorn och växlarna resulterar i ett acceptabelt inre läckage som möjliggör användning av en hydraulisk vattendriven kugghjulsmotori en tillämpning, vari drivvattnet även utnyttjas för spolning av borrhålet.

Av ovanstående beskrivning inses att dräneringskanalen 16 sträcker sig genom tre komponenter, nämligen solhjulet 12, solhjulet 25 och den utgående axeln 17, vilka roterar med inbördes olika rotationshastigheter. Utan tätningar mellan glidytor kan ett mindre läckage ändå accepteras mellan komponenterna, särskilt som den kompakta uppbyggnaden med korta flödesvägar totalt sett även ger färre läckagevägar.

I ett alternativt utförande kan dräneringar dock vid behov vara utförda i form av runtomgående spår 35 genom kuggarna i omkretsriktningen av solhjul, planethjul och den yttre kuggkransen. Spåren 35 är i förekommande fall så placerade inbördes, att de bildar en fri passage för vatten och förhindrar därmed att hjulens rotation bromsas av läckagevatten.

Av utformningsalternativ kan nämnas möjligheten att forma motorns centralhjul 6 och solhjulet 12 av den efterkopplade planetväxeln i ett stycke. I detta utförande kan den nedströms belägna motorrumsgaveln 5 utföras i två delar med delningsplanet i centrumlinjen för att underlätta montering.

Av andra alternativ kan nämnas möjligheten att forma den andra planetväxelns solhjul 25 i ett stycke med planetbäraren 23 av den första planetväxeln, liksom möjligheten att integrera den utgående axeln 17 med planetbäraren 29 av den andra planetväxeln. Ännu ett utföringsalternativ visas i Fig. 4. Utförandet av Fig. 4 skiljer sig från ovan beskrivna utförande genom att den första planetväxelns planethjul är utförda som ringar eller kuggkransar 36, vilka är roterbart lagrade utvändigt om en från planetbäraren 24 utskjutande lagertapp 37. Självfallet kan, i förekommande fall, flera eller samtliga i en rotationsenhet ingående planetväxlar uppvisa planethjul utformade som planethjulet Även om utföringsexemplet visar en enstaka motorenhet 6, 7 skall framhållas, att alternativa utföranden kan innefatta två eller flera motorenheter kopplade i följd med inbördes vridfast förbundna centralhjul. Likaså kan i förekommande fall även fler än två planetväxlar kopplas i serie.

Fackmannen inser att för tillverkning och montering av rotationsenheten kan erfordras invändig maskinbearbetning av höljet, liksom svetsning, krympning eller skruvmontage för fixering av motorrumsgavlarna och av styrbussningen för den utgående axeln. Utan att det särskilt visas i denna beskrivning inses det av fackmannen likaså, att glid- eller kullager kan utnyttjas i lagringen av motorns centralhjul och planethjul i motorrumsgavlarna, liksom i lagringen av planetväxlarnas planethjul i tillhörande planetbärare.

Av ovanstående inses också att den framlagda lösningen inte är begränsad till det i ritningar visade utföringsexemplet utan skall tolkas i en vidare mening så som lösningen är definierad i vidhängande patentkrav.

Claims (1)

1. Rotationsenhet för borrning innefattande motor (6, 7), reducerväxel (13; 14) och utgående axel (17) anordnade i följd med gemensam centrumaxel (C) i ett cylindriskt hölje (2) dimensionerat för att införas i ett borrhål, kännetecknad av att motorn är en vätskedriven kugghjulsmotor innefattande centralhjul (6) och ett eller flera planethjul (7) vilka står i deplacerande kuggingrepp med centralhjulet, och vari motorns centralhjul (6) är via ett axelparti (11) vridfast förbundet med solhjulet (12) av en efterkopplad planetväxel (13) vars planetbärare (24) står i rotationsöverförande ingrepp, direkt eller indirekt, med den utgående axeln (17). Rotationsenhet enligt krav 1, vari ett inlopp (15) är anordnat att mynna i utsidan av nämnda axelparti (11)för att därifrån leda in till en centralt belägen dräneringskanal (16) som löper axiellt från axelpartiet (11), genom solhjulet (12) och den utgående axeln (17). Rotationsenhet enligt krav 2, vari reducerväxeln uppvisar två eller flera planetväxlar (13, 26) anordnade i tandem på sådant sätt att en framförvarande planetväxels planetbärare (24) är vridfast förbunden med solhjulet (25) av en bakomvarande planetväxel, och vari nämnda dräneringskanal (16) löper genom samtliga planetbärare och solhjul fram till den utgående axeln (17). Rotationsenhet enligt krav 2 eller 3, vari motorns centralhjul (6) och planethjul (7) är vridbart lagrade, dels i en uppströms belägen motorrumsgavel (4) och dels i en nedströms belägen motorrumsgavel (5) sett i vätskans flödesriktning, varvid den uppströms belägna motorrumsgaveln innefattar inlopp (8) för drivvätska för vart och ett av motorns planethjul (7) och den nedströms belägna motorrumsgaveln innefattar utlopp (9) för drivvätska för vart och ett av motorns planethjul (7), varvid utloppen mynnar i ett ringformigt hålrum (10) som är öppet mot nämnda axelparti (11). Rotationsenhet enligt krav 4, vari inloppen (8) till motorn står i förbindelse med ett uppströms om motorrummet beläget, gemensamt hålrum (3) för drivvätska under tryck. Rotationsenhet enligt något av föregående krav, vari axelpartiet (11) innefattar en skruvförbindning (14) mellan motorns centralhjul (6) och solhjulet (12) av den efterkopplade planetväxeln (13). Rotationsenhet enligt något av föregående krav, innefattande en tryckutjämningskanal (20) som förbinder ändytorna (21, 22) av motorns centralhjul (e). Rotationsenhet enligt något av föregående krav, vari ett eller flera spår (35) år formade genom kuggarna i omkretsriktningen av solhjul (12, 25), planethjul (23, 30) och en i planetvåxlarna (13, 26) ingående yttre kuggkrans (34). Rotationsenhet enligt krav 8, vari motsvarande spår (35) är formade i motsvarande lägen, dels i solhjulen och dels i den planethjulen omgivande kuggkransen (34) som är uppburen på insidan av höljet (2). Rotationsenhet enligt något av föregående krav, vari den utgående axeln (17) uppbär en cirkulär fläns (32) med en axiellt utsträckt cylindrisk vägg (33) som vid drift bildar en roterande del av rotationsenhetens utsida.