DE2309521C3 - Turbobohrer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbobohrer zur Herstellung von Bohrlöchern, der in seinem oberen Teil mit dem unteren Ende einer 3ohrrohrsäule und im unteren Teil mii einem Meißel verbunden ist, mit einem Gehäuse mit darin befestigten Ständern, die Laufbahnen und Schaufeln aufweisen, durch weiche Leitkanäle für den Durchlauf einer Spültrübe gebildet sind, mit Läufen, die Laufbahnen und Schaufeln aufweisen, die zä den Schaufeln lies Siänücis umgekehrt gerichtet und gegenüber diesem drehbar sind, mit einer Welle, an der die Läufer oder Ständer angebracht sind und die innerhalb des Gehäuses mittels Lagern abgestützt ist, mit einem Auflager, durch das die Belastung der Bohrrohr säule auf den Meißel übertragbar ist, mit Wälzkörpern, die sich in an die Welle gekoppelten Lenkern befinden, auf den läufer- und ständerseitigen Laufbahnen abrollen und mit den Lenkern, Ständern und Läufern Getriebestufen eines Reibungs-Reduziergetriebes bilden.

Ein derartiger Turbobohrer ist Gegenstand des älteren deutschen Patents 21 41 866.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Schlupf, der bei solchen mit Reibungsgetrieben versehenen Bohrturbinen auftritt und der nicht nur zu einer Leistungsverminderung, sondern auch zu einer Erhöhung des Verschleißes führt, zu vermindern.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß oberhalb der als C-etriebestufen ausgebildeten Turbineristufen zusätzliche Turbinenstufen mit Läuferrad und Statorrad vorgesehen sind, von denen das Lauferrad axial beweglich mit der Welle verbunden ist.

Durch diese zusätzlichen Turbinenstufen wird ein Axialdruck auf die Getriebestufen ausgeübt, durch den wiederum der Schlupf der Wälzkörper herabgesetzt wird.

Vorteilhaft sind bei jeder zusätzlichen Turbinenstufe die Schaufeln des Läuferrades gegen die Schaufeln des Siatorrades gerichtet

Vorzugsweise sind zwischen den Läuferrädern der Getriebestufen und den Läuferrädern der zusätzlichen Turbinenstufen Ringe aus elastischem Werkstoff vorgesehen.

im folgenden wird die Erfindung an Hand eine- Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter bezug auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. I einen erfindungsgemäßen Turbobohrer im Längsschnitt, der im oberen Teil seiner Gehäuses mit dem unteren Ende der B-.hrrohrsäule verbunden ist,

F i g. 2 die Schaufeln des Ständers und des Läufers der Getriebestufen und die Schaufeln der zusätzlichen Turbinenstufen im Schnitt durch einen abgewickelten Zylinder,

F i g. 3 das Anordnungsschema der Wäizkörpei und der Laufbahnen von den Ständern und Läufern innerhalb der Getriebestufen,

F i g. 4 die Getriebestufen, in welchen die Lenker und die Walzkörper unterhalb der Schaufeln des Läufers angeordnet sind, und dazwischen liegende zusätzliche Turbinenstufen im Längsschnitt,

F i g. 5 einen erfindungsgemäßen Turbobohrer im Längsschnitt, der durch das obere Wellenende mittels eines Auflagers mit dem unteren Ende der Bohrrohrsäule gekoppelt ist,

F i g. 6 die Getriebestufen, innerhalb deren die Lenker und die Wälzkörper zwischen den Schaufeln des Ständers und des Läufers und aer Welle angeordnet sind, und die zwischen diesen Getriebestufen liegenden zusätzlichen Turbinenstufen im Längsschnitt,

F i g 7 die Anordnung der Läuferräder der zusätzlichen Turbinenstufen zwischen den Getriebestufen im Längsschnitt, wobei das Getriebe mehrstufig ist,

Fig.8 einen Teil eines erfindungsgemäßen Turbobohren, bei dem die Stander der Getriebestüfen und der zusätzlichen Turbinenstufen sich gegenüber dem Gehäuse axial bewegen können.

Der in F i g. 1 dargestellte Turbobohrer besitzt: ein Gehäuse 1, welches in seinem oberen Teil mitteis eines Gewindes 2 mii der nicni drehbaren Bohrrohrsaule verbunden ist, eine Welle 3, die innerhalb des Gehäuses 1 mittels Wälzlagern 4 axial abgestützt ist und sich relativ zum Gehäuse 1 drehen kann, Ständer 5, wekhe im Gehäuse ! befestigt und mit Schaufeln 6 und Laufbahnen 7 versehen sind, Läufer 8, die mit Schaufeln 9 und Laufbahnen 10 versehen und an der Welle 3 derart angebracht sind, daß sich die Läufer drehen und sich axial gegenüber der Welle 3 bewegen können. Lenker 11 mit darin eingelegten Kugeln 12, die zwischen den Laufbahnen 7, 10 der Ständer 5 und der Läufer 8 dergestalt angeordnet sind, daß sich die oberhalb der Laufbahnen 7 der Ständer 5 liegenden Laufbahnen 10 der Läufer 8 mittels der Kugeln 12 auf die Laufbahnen 7 der Ständer 5 stützen.

Die Läufer» mit den Lenkern 11, die Kugeln 12 und die Ständer 5 bilden Getriebestufen 13 der Turbine 14.

Zwischen den Läufern 8 der Getriebestufen 13 sind an der Welle 3 Laufräder 15 angebracht, die Schaufeln 16 und Naben 17 haben. Hierbei sind die Läuferräder 15 an der Welle 3 so angebracht, daß sie sich axiai in bezug auf die Welle 3 versetzen können. Zwischen den Ständern 5 der Getriebestufen 13 sind innerhalb des Gehäuses 1 Statorräder 18 befestigt, die Schaufeln 19 und Naben 20 besitzen.

Das Läuferrad 15 mit seinen Schaufeln 16 und der Nabe 17 sowie das Statorrad 18 mit den Schaufeln 19 und der Nabe 20 bilden eine zusätzliche Turbinenstufe 21.

An das untere Ende des Gehäuses < Jer Tür!. :.- 14 ist ein Auflager 22 gekoppelt, das sich ans eintu, auswechselbaren mit dem Gehäuse 1 der Ts"-bine 14 ver- ,_s bundenen Gehäuse 23. einer Weile ?- die an ihrem oberen Ende mittels einer Kupp¹ -„ig 25, die das Drehmoment der Welle 24 überträgt, n.. der Welle 3 der Turbine 14 verbunden ist, und Lagern 26 'usammensetzt.

Zwischen de.i oberen Stirnflächen der Läufer 8 der Getriebestufen 13 und den unteren St.rnfiächen der Naben V der Läufenäder 15 der zusätzlichen Turbinenstufen 21 sind auf der Welle 3 Ringe 27 aus elastischem Werkstoff vorgesehen, durch welche der Verschleiß der Läufer 8 und der Naben 17 vermindert wird.

Mit dem unteren Ende der Welle 24 dci Auflagers 22 ist ein Meißel 28 verbunden.

Als treibende Kraft der Turbine 14 des Turbobohrers tritt die Syültrübe auf, welche von über Tag her durch die Bohrr^hrsäule in den Turbobohrer gepumpt wird, dabei bewegt sich die Spültrübe innerhalb des Turbobohrers über seine ganze Länge von oben nach unten, d. h, sie bewegt jich über alle Stufen der Turbine 14, seien es die Getriebestufen 13 oder die zusätzlichen Turbinenstufen °1, weiter durch die Fenster 29 der Kupplung 25, über den Kina! 30 der Welle 24 des Auflagers und über die Kanäle des MeiCels 28 nach vor Ort 31 und dann im Ringraum 32, im Raum zwischen der Bohrlochwandung 33 und dem Turbobohrer nach übertage.

Die Schaufeln 6 (F i g. 2) des Ständers 5 der Getriebestufe sind gegenüber der zu der Achse des Turbohohrers senkrechten Ebene geneigt und bilden Leitkanäle 34. Die Schaufeln 9 des Laufers 8 der Getriebestufe sind in der Richtung geneigt, welche der Neigungsrichtung der Schaufeln 6 der Ständer 5 entgegengesetzt ist. so daß sich dadurch die Bewegungsrichtung der Spültrübe bei deren Durchlauf in der Getriebestufe ändert und sich die Läufer gegenüber den Ständern zu dh bi Di bi d Shfl

drehen beginne"

Di

Anbringung der

(F i g. 2) des Ständerrades IS, durch welche Leitkanäle 35 ausgebildet werden, und die der Schaufeln 16 des Läuferrades 15 der zusätzlichen Turbinenstufe 21 sowie der Mechanismus der Umwandlung der fortschreitenden Bewegung der Spültrübe in eine Drehbewegung ,der Läufer sind ähnlich wie bei den Ständern 5 und den Läufern 8 der Getriebestufe 13.

Die Laufbahnen 10 (F i g. 3) der Läufer 8 der Getriebestufen 13 befinden sich in ihrer Arbeitsstellung oberhalb der entsprechenden Laufbahnen 7 der Ständer 5 der Getriebestufen 13. Weil der Durchmesser BB (Fig.3) des Kontaktkreises der Laufbahn 10 mit den Kugeln 12 kleiner als der "durchmesser AA des Kontaktkreises der Laufbahn 7 mit den Kugeln 12 ist. bilden die durch die Punkte A, B und die Mittelpunkte der Kugeln verlaufenden Linien AF mit der zu der Achse des Turbobohrers senkrechten und durch die Mitten

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65 der Kugeln Yl verlaufenden Ebene einen Kontaktwtnke! ß, dadurch werden unter der Einwirkung der nach unten gerichteten Ax^;alkraft P, die sich bei den Läufern 8 im Verlaufe der fortschreitenden Bewegung der Spültrübe über die Stufen 13 des Getriebes bildet, die Wälzkörper gegen die Laufbahnen der Läufer und Ständer gedrückt, so daß Kor.taktreibungskräfte erzeugt werden.

Die Kugeln 12 (F i g. 4) rollen unter der Einwirkung der Kontaktreibungskräfte während der Rotation der Läufer 8 zwischen den Laufbahnen ?0 der sich drehenden Läufer 8 und den Laufbahnen 7 der nicht drehbaren Ständer 5, wobei sie eine Planetenbewegung um die Drehachse der Läufer ausüben und die Lenker 11 sowie die damit gekuppelte Welle 3 der Turbine rotieren lassen. Wf»il aber der Durchmesser BB (F i g. 3) des Kontaktkreises der Kugeln 12 mi! der Laufbahn 10 geringer bemessen ist als der Durchmesser A/. des Kontaktkreises der Kugeln 12 mit der Laufbahn 7, g t die D^hgeschwindigkeit des an die Lenker 11 mitteis der Wellen 3, 24 und der Kupplung 25 gekoppelten Meißels 28 gegenüber der Drehgeschwindigkeit der Läufer 8 zurück. Die Lenker 11 (F i g. 4) haben, um das Drehmoment der Welle 3: zu übertragen. Naben 36, welche mittels eines Keils 37 mit der Welle verbunden sind und sich axial gegenüber der Welle 3 und umgekehrt bewegen können.

Z-vecks Übertragung des Drehmoments auf die Welle 3 sind die Läuferräder 15 mittels eines Keils 33 mit de! Welle 3 verbunden, der eine axiale Versetzung des Läuferrades 15 gegenüber der Welle 3 und umgekehrt ermöglicht, dabei drücken sich unter der Einwirkung der nach unten gerichteten Axialkraft, die sich an den Schaufeln der Läufer im Verlaufe der fortschreitenden Bewegung der Spültrübe über die zusätzlichen Turbinenstufen 21 der Turbine !4 bildet, die Nabe " der Läufprräder 15 gegen die Naben 17 der darunter befindlichen Läuferräder 15, und jedes untere Läuferrad 15 drückt mit der unteren Stirnfläche der Nabe 17 durch den Ring 27 gegen die obere Stirnfläche des Läufers 8 der Getriebestufe, so daß dadurch die Kugeln 12 gegen die Laufbahnen 7,10 der Ständer 5 und der Läufer 8 der Getriebestufen stärker gepreßt werden.

Die Idee, auf welcher der oben beschriebene Turbobohrer beruht, hegt auch den weiteren Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Turbobohrers mit Getriebestufen und /usai/.iichen Turbinenstufen zugrunde, die in F i g. 5 bis 8 gezeigt sind.

'η Γ ι g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Turboboiir;rs veranschaulicht. Im Unterschied zu dem in F i g. 1 dargestellten Turbobohrer verbindet sich hier das Gehäuse 23 des Auflagers 22 mit dem oberen Enae des Gehäuses 1 der Turbine 14, während die Welle 24 des Auflagers 22 i"it der nicht drehbaren Bohrrohrsäule gekuppelt ist. Der Meißel 28 ist in diesem Falle mittels eines Stellwerks 39 an das untere Ende des Gehäuses 1 der Turbine 14 gekoppelt. Bei dieser Ausführung des Turbobohrers drehen sich die Welle 3 und die damit verbundenen Lenker 11 der Getriebestufen 13 und die Ständerräder 14 der zusätzlichen Turbinenstufen 41 nicht, sondern die Ständer 5 der Getriebestufen 13 die Läuferräder 42 der zusätzlichen Turbinenstufen 41 und das damit verbundene Gehäuse 1 mit dem Stellwerk 39 und dem Meißel 28. Beim Arbeiten des gemäß diesem Beispiel ausgeführten Turbobohrers drehen sich die Läufer 8, die das innere treibende Rad des Getriebes bilden, in einer Richtung, dagegen die Statorräder 42 wegen der fot'schreitenden Bewegung der Spültrübe

durch die zusätzlichen Turbinenslufen 41 und die Ständer 5, die das äußere Rad des Getriebes bilden, unier der Einwirkung der während der fortschreitenden Bewegung der Spültrübe durch die Getriebestufen 13 des Getriebes entstehenden Reaktionskräfte sowit- unter der Einwirkung des Drehmoments der sich drehenden Läufer 3, welches mittels der im nicht drehbaren Lenker befindlichen Kugeln 12 übertragen wird, in der an deren, entgegengesetzten Richtung. Um eine normale (Rechts-)Drehung des Meißels 28 zu erreichen, sind die Schaufeln 6 des Ständers 5 und die Schaufeln 43 des Statorrades 42 in ähnlicher Weise geneigt, wie das bei den Schaufeln 9 (F i g. 2) der Läufer 8 und dm Schaufeln 16 der Läuferräder .5 der Fall ist, wahrend die Schaufeln 9 (F i g. 5) des Läufers 8 und die Schaufeln 44 des Läuferrades 40 ähnlich geneigt wie die Scnaufeln 6 (F i g. 2) des Ständers 5 und die Schaufeln 19 des Statorrades ί8 sind. Die übrigen Teile und Einheiten des in F i g. 5 veranschaulichten Turbobohrers sind ähnlich wie bei dem in F i g. 1 dargestellten Turbobohrer.

Beim Betrieb dieses Turbobohrers (F i g. 5) wird die bei der Turbine 14 anfallende Leistung zum Teil dem Meißel 28 mittels des Gehäuses 1 und des Stellwerks 39 von den rotierenden Statorrädern 42 der zusätzlichen Turbinenstufen und den Ständer 5 des Getriebes und zum Teil mittels der in den nicht drehbaren Lenkern 11 befindlichen Kugeln 12 von den rotierenden Läufern 8 der Getriebestufen 13 übertragen.

In F i g. 6 ist ein Ausführungsbeispiel des Turbobohrers wiedergegeben, bei welchem die zusätzlichen Türbinenstufen 45 zwischen den Getriebestufen 46 liegen, in denen die Lenker 47 mit den Kugeln 48 zwischen der Welle 53 und den Schaufeln 49 und 50 der Ständer 51 und der Läufer 52 angeordnet sind.

In F i g. 7 ist ein Ausführungsbeispiel des Turbobohrery gezeigt, bei welchem die Läuferräder 54 der zusätzlichen Turbinenstufen 55 gegen den Läufer 56 der Getriebestufe 57 gedruckt werden, in welcher zwecks einer Erhöhung der Übersetzungszahl des Getriebes der Lenker 58 mit dem Läufer 8 der darunter befindlichen Getriebestufe 53 verbunden ist, deren Lenker 11 mit der Welle 3 gekuppelt ist.

Der verminderte Verschleiß der Kugeln ist in erster Linie darauf zurückzuführen, daß die Kugeln in den Laufbahnen nicht mehr rutschen. Dies wird im einzelnen dadurch erreicht, daß die. Kugeln mit einer größeren Kraft gegen die Laufbahnen gepreßt werden Eines der möglichen Verfahren, durch welches diese Kraft vergrößert wird, ist die Übergabe der hydraulischen Axialkraft, die sich währenJ de Arbeit bei den Ständern 59 und 60 (F i g. 8) der Getriebestufen des Getriebes und der zusätzlichen Turbinenstrfen 6⁷ bildet, an den Läufer. Zu diesem Zweck sind die Ständer bzw. Statorräder 59 und 60 zusammensetzbar ausgeführt. Die Schaufeln 63 und 64 sind getrennt von den Naben gefertigt und werden mit diesen mittels Keilen 67 und 68 verbunden, und unter der Einwirkung der sich fortschreitend bewegenden Spültrübe drücken sie sich gegen die oberen Stirnflächen der Läufer 8 bzw. Läuferräder 69 durch elastische Elemente 70 und 71 die an den Stirnflächen der Läufer 8 bzw. Läuferräder 68 angebracht sind.

Diese ν ?hnischen Lösungen gestatten einen konstruktiv einfachen und kompakten Turbobohrer zu schaffen, der sich durch Betriebssicherheit und einen hohen Wirkungsgi ad auszeichnet

Mit den erfindungsgemäß ausgabildeten Turbobohrern von VIi" werden erfolgreich Bohrlöcher unter verschiedenen geologischen Verhältnissen hergestellt.

In allen Gebieten, in welchen der erfindungsgemäße Turbobohrer mit Getriebestufen und zusätzlichen Turbinenstufen eingesetzt wurde, vergrößerte sich das Reparaturintervall um mehr als das Zweifache im Vergleich zum Reparaturintervall von Turbobohrern mit Getriebestufen, jedoch ohne zusätzliche Turbinenstufen. Die Abtragsleistung je Meißel hat ebenfalls zugenommen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Turbobohrer zur Herstellung von Bohrlöchern, der in seinem oberen Teil mit dem unteren Ende einer Bohrrohrsäule und im unteren Tei! mit einem Meißel verbunden ist, mit -inem Gehäuse mit darin befestigten Ständern, die Laufbahnen und Schaufeln aufweisen, durch welche L~itkanäle für den Durchlauf einer Spültrübe gebildet sind, mit Läufern, die Laufbahnen und Schaufeln aufweisen, die zu den Schaufeln des Ständers umgekehrt gerichtet und gegenüber diesem drehbar sind, mit einer Welle, an der die Läufer oder Ständer angebracht sind und die innerhalb des Gehäuses mitteis Lagern abgestützt ist, mit einem Auflager, durch das die Belastung de^r Bohrrohrsäule auf den Meißel übertragbar ist, mit Wälzkörpern, die sich in an die Welle gekoppelten Lenke;; befinden, auf den läufer- und ständerseitigen Laufbahnen abrollen und mit den Lenkern, Ständern und Läufern Getriebestüfen eines Reibungs-Reduziergstriebes bilden, dadurch gekennzeichnet daß oberhalb der als Getriebestufen (13) ausgebildeten Turbinenstufen zusätzliche Turbinenstufe (21; 41, mit Läuferrad (15; 40} und Staiorrad (18; 42) vorgesehen sind, von denen das Läuferrad (15: 40) axial beweglich mit der Welle (3) verbunden ist.

2. Turbobohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder zusätzlichen Turbinenstufe (21; 41) die Schaufeln (16; 44) de₃ Läuferrades (15; 40) gegen die Schaufel* (19,43) d_s Siatorrades (18,42) gerichtet sind.

3. Tiirbobohrer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Läuferrädem (8) der Getriebestsifen (13) und den Läuferrädern (15, 40) der zusätzlichen Turbinenstufen (21) Ringe (27) aus elastischem Werkstoff vorgesehen sind.

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