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Durch Spülflüssigkeit betriebene Bohrturbine für Tiefbohrgeräte
Bei Tiefbohrgeräten werden Bohrturbinen verwendet, welche durch die Spülflüssigkeit betrieben werden. In dem an das Bohrgestänge angeschlossenen Turbinengehäuse ist ein mit den entsprechenden Turbinenschaufeln ausgebildeter Rotor gelagert, an dessen unterem Ende der Bohrmeissel angeschlossen ist. Die Spülflüssigkeit tritt in axialer Richtung durch diese Bohrturbine hindurch und wird dem Meissel zugeführt.
In dieser Bohrturbine ist der Rotor sowohl radial als auch axial gelagert, wobei die Lagerung in der Strömungsrichtung der Spül- flüssigkeit vor den Turbinenschaufeln vorgesehen ist. Die Lagerkörper bestehen bei diesen bekannten Ausbildungen meist aus Kunststoff oder Gummi. Es ist nicht zu vermeiden, 'dans die Spülflüssigkeit Sand mit sich führt und dieser Sand hat bei den bekannten Bohrturbinen einen schnelleren Verschleiss der Lager zur Folge.
Die Auswechslung der Lager bereitet beträchtliche Betriebsstörungen, da ja zu diesem Zweck ein meist über 1000 Meter langes Bohrgestänge aus dem Bohrloch herausgezogen werden muss.
Die Erfindung bezieht sich auf eine solche durch die Spülflüssigkeit betriebene Bohrturbine, welche in der Strömungsrichtung der Spülflüssigkeit vor den Turbinenschaufeln eine Lagerung für den Rotor aufweist, an welcher die Spülflüssigkeit durch in radialem Abstand von der Rotationsachse angeordnete Durchtrittsöffnungen vorbeigeführt wird, und zielt darauf ab, den Verschleiss der Lagerung herabzusetzen. Die Erfindung besteht hiebei im wesentlichen darin, dass vor der Lagerung am Rotor und/oder am Stator die Spülflüssigkeit im Drehsinn des Rotors ablenkende Leitflächen vorgesehen sind. Dadurch, dass die Spülflüssigkeit bevor sie zu der Lagerung gelangt, im Drehsinn des Rotors abgelenkt, d. h. also in Rotation versetzt wird, ergibt sich der Effekt, dass die in der Spülflüssigkeit (enthalte- nen Festkörper bzw.
Sandkörner durch die Zentrifugalkraft nach aussen gedrückt werden.
Es werden auf diese Art Fremdkörper in der Spülflüssigkeit in der äusseren Ringzone ange- reichert, so dass in den der Rotationsachse näher gelegenen Zonen die Spülflüssigkeit zumindest teilweise von solchen Fremdkörpern befreit wird. Bei entsprechender Rotationsge- schwindigkeit der Spülflüssigkeit werden sozusagen die Festkörper aus der Spülflüssigkeit auszentrifugiert und die Verunreinigungen beschränken sich dann überhaupt auf die äussere Ringzone. Da bei einer solchen Bohrturbine die Durchtrittsöffnungen für die Spülflüssig- keit in grösserem radialen Abstand von der Rotationsachse angeordnet sind als die Lagerung, so werden auf diese Weise die den Verschleiss verursachenden Sandkörner von der Lagerung ferngehalten und treten durch die Durchtrittsöffnungen durch, ohne die Lagerung zu schädigen.
Gemäss der Erfindung können die Leitflächen des Rotors von an der vorzugsweise-stromlinienförmig ausgebildeten Endverschraubung der Rotorwelle angeordneten Ablenkschaufeln gebildet sein, während die Ablenkflächen des Stators von in das Gehäuse der Bohrturbine oder in den Bohrgestängeanschluss eingesetzten, im Drehsinn des Rotors gekrümmten Ablenkflügeln gebildet sein können.
Die Drehzahl der Bohrturbine ist von der Stellung der Turbinenschaufeln abhängig. Der volle Wirkungsgrad wird aber nur bei einer bestimmten Schaufelstellung erreicht, so dass die Drehzahl der Bohrturbine in gewissen Grenzen festliegt. Wenn am Rotor Ablenkschaufeln angeordnet sind, welche die Spülflüssigkeit vor Eintritt in den Bereich der Lagerung in Rotation versetzen, so wird hiedurch der Rotor mit dem Meissel gebremst.
Dies wirkt sich vorteilhaft aus, da eine kleinere Drehzahl eine bessere Wirkung des Meissels ergibt. Die Anordnung von Ablenk- flügeln am Stator bewirkt keine Bremsung des Rotors. Es können sowohl am Stator als auch am Rotor oder nur am Stator oder nur ! am Rotor Ablenkflügel bzw. Ablenkschaufeln angelenkt sein.
Bei den bekannten Bohrturbinen wird die Lagerung von einer Anzahl hintereinander angeordneter Lagerringe gebildet, welche von im Turbinengehäuse festgelegten, mit Durch-
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trittsöffnungen versehenen Scheiben getragen werden. Bei einer solchen Ausbildung sind gemäss der Erfindung die Durchtrittsöffnungen in den hintereinander angeordneten Scheiben in der Rotationsrichtung gegeneinander versetzt, so dass die Rotation der Spülflüssigkeit im Bereich der Lagerung nicht gehemmt wird. Durch die Versetzung der Durchtrittsöffnungen wird sogar die Rotation begünstigt und aufrechterhalten. Zweckmässig kann die Anordnung so getroffen sein, dass die Durchtritts- öffnungen in den hintereinander angeordneten Scheiben um etwa 2/3 des mittleren Axialabstandes dieser Scheiben voneinander im Bogen gegeneinander versetzt sind.
In der Zeichnung ist die Erfindung, anhand von Ausführungsbeispielen schematisch erläutert. Fig. 1 zeigt den oberen Teil einer, Bohr- turbine mit am Rotor angeordneten Ablenkschaufeln. Fig. 2 stellt einen Schnitt nach Linie lI-Il der Fig. 1 dar, Fig. 3 stellt einen Querschnitt nach Linie 777-777 der Fig.
1 dar, Fig. 4 stellt eine Abwicklung des Tan !- gentialschnittes nach Linie IN-IN der Fig.
3 dar. Fig. 5 stellt eine Anordnung dar, bei welcher Ablenkflügel am Stator angeordnet sind. Fig. 6 zeigt einen Schnitt nach Linie VI-VI der Fig. 5.
An das Bohrgestänge 1 ist unter Zwischenschaltung eines Bohrgestängeanschlusses 2 das Bohrturbinengehäuse 3 angeschlossen. Im Bohrturbinengehäuse ist der Rotor 4 drehbar gelagert, dessen unteres, nicht dargestelltes Ende den Meissel trägt. Am Rotor sind die an Ringen 5 angeordneten Turbinenschaufeln 6 festgespannt und durch einen Keil 7 gegen Verdrehung gesichert. Im Bohrturbinengehäuse 3 sind Ringe 8 mit den zwischen den Turbinenschaufeln 6 angeordneten Leitschaufeln 9 festgespannt. Die die Turbinenschaufeln 6 beaufschlagende Spülflüssigkeit wird durch das Bohrgestänge 1 in der Richtung des Pfeiles 10 der Bohrturbine unter Druck zugeführt. In der Strömungsrichtung 10 der Spülflüssigkeit ist vor den Turbinenschaufeln 6 eine, Lagerung 20 für den Rotor vorgesehen.
Diese Lagerung 20 besteht aus hintereinander im Turbinengehäuse angeordneten Scheiben 11, welche aus Gummi oder Kunststoff bestehende Lagerringe 12 tragen, die ihrerseits mit unter Zwischenschaltung von Distanzringen 13 am Rotor 4 festgespannten Lagerscheiben 14 zusammenwirken. Die Spurlagerung in axialer Richtung ist durch das Zusammenwirken der Lagerringe 12 mit den Lagerscheiben 14 bewerkstelligt, während die Radiallagerung durch die mit den Distanzringen 13 zusammenwirkenden Innenflächen der Lagerringe 12 gebildet wird.
Die Lagerringe 12 weisen radiale Nuten 15 und axiale Nuten 16 auf, durch welche eine
Flüssigkeitsschmierung unter Vermittlung der Spülflüssigkeit ermöglicht wird. Durch eine Mutter 17 und eine als Gegenmutter wirkende Verschraubung 18 sind die auf dem Rotor 4 aufgereihten Ringe, d. h. die Lagerscheiben 14, die Distanzringe 13 und die Turbinenschaufelringe 5, zusammengespannt.
Bei den bekannten Bohrturbinen dieser Bauart tritt der Nachteil auf, dass der Sand, welchen die Spülflüssigkeit unvermeidlich mit sich führt, die aus Gummi bzw. Kunststoff bestehenden Lagerringe 12 sowie auch die mit ihnen zusammenwirkenden Lagerscheiben 14 und Distanzringe 13 bereits nach kurzer Betriebsdauer zerstört, da ja die Spülflüssigkeit durch die für die Flüssigkeitsschmierung erforderlichen Nuten 15 und 16 zwischen die Lagerlaufflächen gelangt.
Bei der Ausbildung der Bohrturbine nach Pig. l sind an der Verschraubung 18, welche stromlinienförmig ausgebildet ist, Ablenkschaufeln 19 vorgesehen, welche die Spülflüssigkeit vor dem Eintritt in den Bereich der Lagerung 20 in der durch den Pfeil 21 angedeuteten Drehrichtung des Rotors 4 in Rotation versetzen. Auf diese Weise werden unter der Wirkung der Fliehkraft die in der Spülflüssigkeit enthaltenen Festkörper auszentrifugiert und gelangen in die äussere Zone der Flüssigkeitsströmung. In dieser äusseren Zone sind Durchtrittsöffnungen 22, 22', 22"usf. in den die Lagerringe 12 tragenden Scheiben 11 vorgesehen, durch welche die Spülflüssigkeit strömt.
Die innere Zone der im Bereich der Lagerung 20 strömenden Spülflüssigkeit wird weitgehend von Festkörpern befreit, so dass in die für die Flüssigkeitsschmierung dienenden Nuten 15, 16 Spülflüssigkeit eintritt, welche praktisch keine Verunreinigungen durch Sand aufweist. Auf diese Weise wird die Lebensdauer der Lagerung weitgehend erhöht.
Um die Rotationsbewegung der Spülflüssigkeit im Bereich der Lagerung 20 nicht zu hemmen, sondern zu begünstigen, sind die Durchtrittsöffnungen 22,22', 22"us., in den hintereinander angeordneten Scheiben 11 in der Rotationsrichtung gegeneinander versetzt. Dies ist aus der Abwicklung nach Fig. 4 deutlich zu ersehen. Wie Fig. 4 zeigt, sind die Durchtrittsöffnungen 22,22', 22"usf. in den hintereinander angeordneten Scheiben 11 um etwa 2/3 des Axialabstandes a dieser Scheiben 11 voneinander im Bogen gegeneinander versetzt.
Die Grösse dieser Versetzung ist mit b bezeichnet.
Die Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher am Stator, d. h. im Bohrgestängeanschluss 2, ortsfeste Ablenkflügel 23 vorgesehen sind, welche der Spülflüssigkeit vor dem Eintritt in die Lagerung 20 die erforderliche Rotationskomponente erteilen. Bei dieser Aus- führungsform ist ein Stromlinienkörper 24 ortsfest in dem Bohrgestängeanschluss 2 ein- gesetzt und es ist daher die Verschraubung
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18'von einer gewöhnlichen, nicht stromlinienförmigen Gegenmutter gebildet. Die Ablenkflügel sind hiebei an im Bohrgestängeanschluss 2 eingesetzten Ringen 25 angeordnet und bilden Stege, welche den Stromlinienkörper 24 tragen. Im übrigen ist die Anordnung der Lagerung 20 mit den gegeneinander versetzten Durchtrittsöffnungen 22,22', 22"usf. die gleiche wie in Fig. 1 dargestellt.