Die Erfindung betrifft ein hydraulisch angetriebenes Gesteinsbohraggregat, mit einem an einen Bohrstrang anschliessbaren Gehäuse und einer darin in Lagern angeordneten, hohlen Rotorwelle, welche zur Übertragung eines Drehmomentes mit einem Bohrkopf verbindbar ist, ferner mit einer zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse angeordneten Dichtungsvorrichtung zur Verhinderung des Eindringens von Bohrschlamm in die Lager, mit Mitteln zur Ausübung des Druckes des Bohrschlammes auf das in den Lagern vorhandene Schmiermittel, wobei die Druckhöhe derjenigen des dem Motor zugeführten Bohrschlammes entspricht.
Normalerweise werden Gesteinsbohrungen durch Verwendung eines Bohrturmes ausgeführt, welcher zum Drehen eines aus zusammengekuppelten Rohren bestehenden Rohrstranges ausgebildet ist, der sich von der Erdoberfläche weg nach unten erstreckt, und an dessen unterstem Ende der Bohrkopf befestigt ist. Die durch das Bohren am Lochboden erzeugten Gesteinssplitter und Teilchen werden zur Oberfläche aufgespült und zwar durch den Ringraum zwischen dem Bohrstrang und der Bohrlochwandung. Als Fördermittel wird dabei eine Flüssigkeit verwendet, welche durch den Rohrstrang zum Lochende hinuntergeführt wird. Diese Flüssigkeit wird normalerweise Schlamm oder Bohrschlamm genannt und hat ferner die Aufgabe, den Bohrkopf zu kühlen.
Das zum Drehen des Bohrkopfes erforderliche Drehmoment ist sehr hoch und wird in der Regel durch den Bohrstrang vom Bohrturm zum Bohrkopf übertragen. Die bei der Übertragung dieses Drehmomentes im Bohrstrang aufgespeicherte Energie ist deshalb bedeutend, und zwar insbesondere dann, wenn die Bohrlöcher tief sind. Ausserdem entstehen leicht Schwierigkeiten, wenn der Bohrkopf verschiedenartige Schichten durchdringt, welche zu Schwankungen im erforderlichen Drehmoment führen. Ferner setzt die Übertragung des erforderlichen Drehmomentes vom Bohrturm bis zum Bohrkopf voraus, dass die einzelnen Rohre des Bohrstrangs eine gewisse Wandstärke und Starrheit aufweisen und deshalb schwer und teuer sind.
Diese Forderung bezüglich der Wandstärke der einzelnen Rohre des Bohrstranges steht im Gegensatz zu den anderen Forderungen an den Roh ren, nämlich, dass sie einen grossen inneren Querschnitt haben, damit sie grosse Schlammengen zum unteren Ende des Bohrlochs durchlassen können, weil nur dann eine einwandfreie Kühlung des Bohrkopfes und eine einwandfreie Spülwirkung möglich sind.
Wenn ferner ein geradliniges Bohrloch zu erstellen ist, müssen die Rohre des Bohrstranges gerade und genau sein, damit das Drehmoment ohne Richtungsabweichungen übertragen, und somit die gewünschte Bohrrichtung nicht verlassen wird. Auf der anderen Seite ist es schwierig, wenn nicht unmöglich, ein Bohrloch mit einer bestimmten Abweichung von der geradlinigen Richtung herzustellen.
Es wurde deshalb festgestellt, dass viele Nachteile und Konstruktionskompromisse bei Bohreinrichtungen der beschriebenen Art dadurch behoben werden können, dass das erforderliche Drehmoment mittels einer in der Nähe des Bohrkopfes angeordneten Vorrichtung erzeugt wird, welche von ihr zugeführten Mitteln angetrieben wird. Die sogenannte Bohrturbine ist eine bekannte Ausführung einer solchen Vorrichtung. Die Bohrturbine umfasst einen hydraulischen, turbinenartigen Motor, welcher am unteren Ende des Bohrstranges befestigt ist und von Schlamm angetrieben wird, welcher ihm durch den Bohrstrang zugeführt wird. Es besteht bereits eine ganze Reihe von Konstruktionen für Bohrturbinen, aber bis jetzt wurde keine Ausführung geschaffen, welche in der Praxis die Konkurrenz mit den oben beschriebenen Ausführungen aufnehmen konnten.
Ein Grund für die Unterlegenheit liegt darin, dass der Schlamm entweder eine zu hohe Drehzahl, oder bei einer absichtlichen Reduktion derselben, ein zu kleines Drehmoment erzeugt.
Bohrschlamm ist normalerweise eine stark schmirgelartige Lösung oder Suspension von Sand und Felsenteilchen.
Der Schlamm wird dauernd durch den Bohrstrang, das Bohrloch und ein Absetzbehälter geführt, in welchem die grösseren Brocken sich absetzen. Diese stark schmirgelartige Flüssigkeit ist selbstverständlich schädlich für alle sich relativ zueinander bewegenden Flächen, zwischen welchen sie eindringen kann. Ausserdem befindet sich, wie bereits erwähnt, der Schlamm am Boden eines Bohrloches, unter einem sehr hohen hydrostatischen Druck, weshalb das Vermögen des Schlamms zum Eindringen in die Lager und zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen sehr hoch ist. Die Lager eines hydraulischen Motors für ein Bohrwerkzeug neigen deshalb dazu, mit dem stark schmirgelartigen Schlamm verunreinigt zu werden, welcher zum Antrieb des Gesteinsbohraggregates verwendet wird.
Weil diese Lager starken Belastungen und Laständerungen ausgesetzt sind, ist es einleuchtend, dass Lagerdefekte ein wichtiger Grund für die Unzuverlässigkeit der bisherigen Bohrturbinen waren.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines hydraulisch angetriebenen Gesteinsbohraggregates der eingangs genannten Art, welches die Nachteile bestehender Ausführungen nicht aufweist.
Das erfindungsgemässe hydraulisch angetriebene Gesteinsbohraggregat der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass als die genannten Mittel Leitungen für den Bohrschlamm mit der genannten Druckhöhe durch die Rotorwelle zur Dichtvorrichtung unterhalb der Lager vorgesehen sind, damit der Bohrschlamm auf die Dichtungsvorrichtung in der unteren Endzone einwirkt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dichtungsvorrichtung innere und äussere Dichtungselemente einschliesst, und der Zuflussweg zum Leiten des Bohrschlammes zu einem Punkt zwischen dem äusseren und dem inneren Dichtungselement dient, und dass ein Abflussweg für den Bohrschlamm von der Dichtungsvorrichtung aus dem Gehäuse heraus vorhanden ist.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Gesteinsbohraggregates anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1 A bis 1 D einen Axialschnitt durch je einen Viertel der Länge eines hydraulischen Gesteinsbohraggregates; und
Fig. 2 und 10 neun Querschnitte durch das Gesteinsbohraggregat nach Fig. 1, an den mit entsprechenden römischen Zahlen bezeichneten Schnittlinien II bis X.
Die Ausführung des Gesteinsbohraggregates wird zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 1A bis 1D beschrieben.
Das Gesteinsbohraggregat umfasst ein rohrförmiges Gehäuse 1, welches sich von einem zum anderen Ende des Gesteinsbohraggregates erstreckt und an seinem oberen Ende eine mit Innengewinde versehene Armatur 2 aufweist. Die Armatur 2 ist zur Befestigung am unteren Rohr eines Bohrstranges vorgesehen. Das untere Ende des Gehäuses 1, welches ruhend ist und als Stator dient, ist mit einem Innengewinde 3 für eine Armatur 4 versehen.
Ein Rotor ist drehbar im Gehäuse 1 angeordnet und umfasst eine hohle Rotorwelle 5, welche über den grössten Teil ihrer Länge in einem abgedichteten Lager angeordnet ist.
Das obere Ende der Rotorwelle 5 ist mittels sechs Antriebsspindeln 6 am Rotor befestigt, während das untere Ende der Rotorwelle 5 einen radial vergrösserten Teil 7 aufweist, welcher in eine Endarmatur 8 mit einem API-lnnengewinde 9 zur Befestigung eines nichtgezeigten Bohrkopfes übergeht.
Im folgenden wird die Ausführung des Gesteinsbohraggregates detailliert beschrieben und zwar von oben nach unten, d. h. von links in Fig. 1A.
Die obere Armatur 2 enthält ein zur Befestigung an das untere Rohr des Bohrstranges vorgesehenes Ablassventil 10, welches automatisch betätigbar ist und als Auslass für die
Schlammsäule im Bohrstrang dient, wenn der Schlamm nicht mehr unter Druck steht, wie z. B., wenn der Bohr strang vom Bohrloch zurückgezogen wird. Das Ablassventil
10 umfasst einen Körper 11, welcher mittels einer Sperrmutter 12 in der Armatur 2 festgehalten und mittels eines Dichtungsringes 13 mit der Innenseite der Armatur 2 dicht ver bunden ist. Der Körper 11 schliesst einen Querteil 14 ein, wet cher drei Ausgangskanäle 15 für den Schlamm aufweist. Die Ausgangskanäle 15 führen über eine ringförmige Vertiefung
16 in die innere Wandfläche der Armatur 2 zu einer Ausgang söffnung 17, welche sich durch diese Wand erstreckt.
Der
Querteil 14 des Ablassventils ist ferner mit drei dauernd offe nen Kanälen 18 für den Durchfluss von unter Druck stehen den Schlamm versehen. Eine Schlammzufuhr zu den Auslass kanälen 15 wird aber, sofern er unter Druck steht, von einem Verteilkörper 19 verhindert, welcher gleitbar im Ab lassventil 10 angeordnet und mit einem mittigen Zapfen 20 versehen ist, der in eine mittige, zum Auslasskanal 15 füh rende Öffnung 21 des Querglieds 14 eingreift. Verschleissfeste Ringe 22 und 23 aus Wolframkarbid sind am Ventilkörper 19 oder am Querglied 14 vorgesehen, welche bei ge schlossenem Ablassventil ineinander eingreifen. Ferner ist ein Dichtungsring 24 aus Gummi vorgesehen, welcher gegen den Ring 23 abdichtet und rund um den Zapfen 20 angeord net ist.
Der Ventilkörper 19 wird von einer schraubenlinien förmigen, zusammenrückbaren Feder 25 nach oben gegen das Ablassventil 10 gedrückt, derart, dass es dann automatisch öffnet, wenn der Schlamm nicht mehr unter Druck steht, jedoch gegen die Kraft der Feder 25 von unter Druck stehendem Schlamm in seiner geschlossenen Lage gehalten wird. Von Flügeln 26 begrenzte Ventilkanäle ermöglichen den Durchfluss des unter Druck stehenden Schlamms durch das Ventil sowie durch Kanäle 18 im Querglied 14 des Ablassventilkörpers.
Der nächste Teil des Rotors unterhalb des Ablassventils 10 ist eine Zylinder- und Kolbenanordnung für die Zufuhr von Schmiermitteln, insbesondere Fett, zu den Dichtungen und Lagern weiter unten im Motor vorgesehen. Der Zylinder 27 dieser Anordnung, von welcher nur ein kleiner Teil in Fig. 1A gezeigt ist, ist an seinem unteren Ende an einer Hülse 28 befestigt, mit welcher der Zylinder mittels Gewinde 29 verbunden ist. Die Hülse 28 ist mit radial verlaufenden Rippen 30 versehen, welche gegen die Innenseite des Gehäuses 1 abgrenzen, um sowohl den Zylinder 27 als auch andere Teile zu zentrieren, welche innerhalb der Hülse angeord net und in der Folge beschrieben sind. Der Zylinder 27 ist oben mit einem daran angeschweissten Kegelstück 31 versehen, welches einen axial verlaufenden Kanal 32 für den Durchfluss des Schlamms in den Zylinder aufweist.
Im Zylinder befindet sich ein Kolben 33, welcher mittels des Druckschlamms nach unten bewegbar ist. Im Betrieb ist der ganze Zylinderraum 34 unterhalb des Kolbens 33 mit Fett gefüllt, welches den Dichtungen und den Lagern des Motors, wie bereits erwähnt, unter Druck zugeführt wird.
Der Zylinder 27 wird von einer Sperrhülse 35 in seiner Lage gehalten, welche in das Gehäuse eingeschraubt ist und mit dem Kegelstück 31 einen Teil bildet, und zwar mittels eines Übergangsringes 36, der mit dem Kegelstück 31 zusammen einen Schlammkanal begrenzt. Die Sperrhülse 35 ist mittels eines Linksgewindes am Gehäuse befestigt, falls der Zylinder 27 im Betrieb dazu neigen sollte, von oben gesehen, im Uhrzeigersinn zu drehen.
Die Hülse 28, an welcher der Zylinder 27 montiert ist, nimmt das obere Ende des Rotors auf und zentriert es in Form einer Welle 37, welche eine obere Endkappe 38 aufweist, die mittels eines Gewindes 39 an der Welle befestigt ist. Die Endkappe 38 ist mit einer Öffnung 40 für die Zufuhr von Druckfett vom Zylinderraum 34 in das Bohrloch 41 der Welle 37 versehen. Druckfett kann ferner in den engen ringförmigen Spalt zwischen der äusseren Zylinderfläche der Endkappe 38 und der Innenfläche der Hülse 28 durchgelassen werden, um das Lager für das obere Ende der Welle 37 zu schmieren, welche in der Hülse 28 angeordnet ist. Dieses Lager 42 ist als gehärtete Stahlhülse ausgebildet, welche in einer Vertiefung in der Hülse 28 montiert und an einer Lagerhülse 43 drehbar angeordnet ist, welche an der Welle 37 mittels der Endkappe 38 befestigt ist.
Eine Dichtung 44 (siehe auch Fig. 2) ist zwischen einer Schulter der Hülse 28 und einer Sperrmutter 46 mittels eines Schraubengewindes im unteren Ende der Hülse 28 befestigt und wird von zwei Paketen 47 mit Innen- und Aussenringen 48 und 49 mit Spalten gebildet. Jedes Paket 47 enthält acht Spaltringpaare und die Ringe eines jeden Paares bilden eine enge Dichtung, der eine innerhalb des anderen (siehe Fig. 2). Die Spalten 50 der Ringe eines jeden Paares sind am Umfang leicht voneinander entfernt und die zwei Ringe sind an den einander anliegenden Flächen 51 miteinander verbunden, welche sich zwischen den Spalten erstrecken. Die Verbindung zwischen den Ringen kann durch Hartlöten, Schweissen oder Löten, je nach dem Material aus welchem die Ringe bestehen, hergestellt werden. Die aufeinanderfolgenden Ringpaare eines jeden Pakets sind mit versetzten Spalten 50 versehen.
In der in Fig. 2 gezeigten Anordnung sind die Spalte 50b des zweiten Ringpaares von oben um 1800 von den Spalten 50 des oberen Paares versetzt, während die Spalten der restlichen Ringpaare, wie angegeben, mittels aufeinanderfolgender Bezugsziffer 50c bis 50h in Fig. 2 angeordnet sind.
Jeder Aussenring 49 ist mit einem radialen Vorsprung 52 (Fig. 2) versehen, welcher in einen von sechs Kerbnuten 53 eingreift, die in der Hülse 28 derart ausgebildet ist, dass alle Ringe 48 und 49 gegen eine Drehbewegung festgehalten sind. Die Pakete 47 sind von Abstandringen 54 getrennt, welche auf einer an der Welle 37 befestigten Hülse 55 aufliegt, und alle Abstandringe 54 und Dichtungsringpakete 47 werden mittels Federringen 56 zusammengedrückt. Die inneren Spaltringe 48 eines jeden Pakets werden gegen die Hülse 55 an der Welle 37 gedrückt und bilden mit der Hülse 55 zusammen eine Dichtung mittels Fett, welches der Aussenseite der Lagerhülse 43 zugeführt wird. Ein Abstandstück 57 ist zwischen dem obersten Federstahlring und der Schulter 45 der Hülse 28 angeordnet.
Der Zweck der Dichtung 44 besteht darin, Druckschlamm aus dem Lager 42 auszuschliessen. Der Schlamm fliesst vom Oberteil des Zylinders 27 durch den ringförmigen Raum hinunter, welcher vom Zylinder und vom Gehäuse 1 begrenzt ist, und dann weiter durch die von den Rippen 30 an der Hülse 28 begrenzten Kanäle. Wenn der Schlamm das untere Ende der Sperrmutter 46 an der Hülse 28 erreicht, wird der Fluss in zwei Teilen aufgeteilt, wobei ein Teil des Schlamms durch einen ringförmigen Kanal 58 in eine zweite Bohrung 59 in der Welle 37 fliesst und der übrigbleibende Teil des Schlammflusses rund um die Aussenseite der Antriebsvorrichtung des Rotors fliesst, damit er in der unten beschriebenen Weise angetrieben wird.
Nachfolgend wird die Antriebsvorrichtung näher beschrieben, von welcher der untere Teil der Welle 37 einen oberen Körperteil bildet, während ein unterer Körperteil von einem Rohr 60 gebildet wird, welches mittels Gewinde 61 am unteren Ende der Welle 37 befestigt ist. Die Ausführung der Antriebsvorrichtung ist ferner in den Fig. 3 bis 10 im Querschnitt gezeigt, wobei die Fig. 5 und 6 die gleiche Ebene zeigen. In Fig. 5 sind die Antriebsschaufeln, welche weiter unten beschrieben sind, in ihren Ruhelagen gezeigt, und Fig.
6 zeigt die Schaufeln in denjenigen Stellungen, welche sie dann einnehmen, wenn der Rotor dreht. Die Welle 37 und das Rohr 60 zusammen mit den übrigen von ihnen getragenen Elementen bilden den oberen Teil des Rotors des hydraulischen Motors, wobei der Stator vom Gehäuse 1 gebildet wird.
Ein Ring mit sechs Schaufeln 62, welche als Antriebsglieder für den Rotor dienen, sind rund um das untere Ende der Welle 37 angeordnet. Jede Schaufel 62 ist mit einem zylindrischen Oberteil versehen, welcher eine drehbare Stiftschraube 63 trägt, die in einem der sechs Löcher in einem oberen Haltering 64 für Schaufeln angeordnet ist. Der Haltering 64 ist an der Welle 37 befestigt, mittels eines O-Ringes 65 gegen diese abgedichtet und mittels sechs Allen-Schrauben 66 in einer Hülse 67 befestigt, welche mittels Keilen 68 an der Welle 37 fest montiert ist. Die Schrauben 66 halten somit den Haltering 64 gegen eine Drehbewegung an der Welle 37 fest.
Nichtsdestoweniger sind die Kanäle in der Hülse 67, durch welche die Schrauben 66 gehen, am Umfang etwas vergrössert, damit eine genaue Anordnung der Schaufeln am Umfang und somit eine genaue Einstellung deren unteren Enden im weiteren Einbaumittel, wie weiter unten beschrieben, möglich ist. Eine mit einem eingesetzten Verschleissring 70 versehene Mutter 69 ist oben am Haltering 64 eingeschraubt und mittels eines Verriegelungsringes 71 in der richtigen Lage festgehalten, welcher, ähnlich wie die Mutter 69 an der Welle 37 festgeschraubt ist. Eine ringförmige Gummidichtung 72, welche mit bogenförmigen Ausschnitten zur Aufnahme der Stiftschrauben 63 versehen ist, ist in die untere Bodenfläche des Halteringes 64 eingesetzt.
Daraus geht hervor, dass die Schaufeln 62 an ihren oberen Enden im Haltering 64 drehbar sind und zwar mittels der Stiftschrauben 63. An den unteren Enden sind dagegen die Schaufeln in einer im folgenden zu beschreibenden Weise festgehalten.
Eine zur Befestigung dienende Torsionswelle 73 bildet mit dem unteren Ende jeder einzelnen Schaufel 62 eine Einheit und ist in einem von sechs Schlitzen 74 in einem Ring in der äusseren Fläche des unteren Rohrs 60 der Antriebsvorrichtung eingesetzt. Die untersten Endteile der Torsionswellen sind in Löcher 75 im Rohr 60 zur Anordnung der Wellen am Umfang angeordnet. Die Torsionswellen 73 sind nicht für eine Drehbewegung vorgesehen, wenn der Motor angetrieben wird, sondern zum Verdrehen bestimmt, damit eine begrenzte Drehbewegung der Schaufeln 62 möglich ist. Jede Torsionswelle wird deshalb dadurch gegen eine Drehbewegung festgehalten, dass ein sektorförmiger Teil 76 derselben (siehe Fig. 9) in eine entsprechend ausgebildete Öffnung eingreift, welche im Schlitz 74 im Rohr 60 vorgesehen ist.
Wie in der Folge erläutert, werden die Schaufeln (von oben gesehen) im Uhrzeigersinn angetrieben, wobei ein leicht austauschbares Verschleissstück 77 an der richtigen Seite des sektorförmigen Teils 76 der Torsionswelle 73 im Schlitz zur Aufnahme des Rohrs 60 vorgesehen ist. Somit wird jede Torsionswelle an ihrem unteren Ende gegen eine Drehbewegung festgehalten, jedoch kann sie sich über ihre Gesamtlänge zwischen der Zone des Querschnittes in Fig. 9 und dem unteren Ende der betreffenden Schaufel 62 verdrehen.
Dadurch ist die bereits erwähnte Drehbewegung der Schaufel um die Achse der Torsionswelle möglich. Die Stiftschrauben 63 an den oberen Enden der Schaufeln verlaufen koaxial zu den Torsionswellen 73 und diese Axe ist die bereits erwähnte Verdrehachse der Schaufeln.
Der Querschnitt längs des grössten Teils der Länge der einzelnen Schaufeln 62 ist in Fig. 3 und 4 gezeigt und die Verdrehachsen 78 der Schaufeln sind ebenfalls darin enthalten.
Die Schaufeln sind in Fig. 4 und 5 in ihren Ruhelagen gezeigt, d. h., wenn der Rotor still steht. Wenn sich aber die Schaufeln im Betrieb im Uhrzeigersinn zur Bewegung des Rotors drehen, werden sie in die in den Fig. 3 und 6 gezeigten Lage, in welcher ihre Innenfläche 79 genau gegenüber der Fläche der Welle 37 anliegt, versetzt.
Nachfolgend wird die Art, in welcher der unter Druck stehende Schlamm den Rotor antreibt, erläutert. Wie bereits erwähnt, findet ein Schlammfluss an der Aussenseite des Rotors, längs des oberen Endbefestigungen der Schaufeln 62 statt, derart, dass Druckschlamm im Ringraum 80 zwischen den Aussenflächen 81 (Fig. 3 und 4) der Schaufeln und der Innenseite des Gehäuses 1 vorhanden ist. Der Schlammdruck bewirkt von oben gesehen, eine Drehung der Schaufeln im Uhrzeigersinn, wobei gleichzeitig eine Verdrehung der Torsionswelle 73 in der vorangehend beschriebenen Art stattfindet. Ein über einen vorbestimmten Wert hinausgehender Schlammdruck bewirkt, dass die Schaufeln in die in Fig. 3 und 6 gezeigte Lage gebracht werden, wobei diese Innenflächen 79 an den Wellen 37 anliegen.
In diesem Zustand wird die in den Torsionswellen 73 erzeugte Torsion auf das Rohr 60 übertragen, und zwar über die sektorförmigen Teile 76 und die Verschleissstücke 77, damit der Rotor im Uhrzeigersinn angetrieben wird. Die Schaufeln sind mit Dichtungsstreifen 82 aus Gummi versehen, welche in ihre Endflächen 83 eingesetzt und zwischen den betreffenden Schaufeln und den Rückseiten 84 der benachbarten Schaufeln eingepresst sind, wenn die Schaufeln vom Schlammdruck nach innen gedreht werden. Dadurch wird erreicht, dass Schlamm aus den Räumen 85 (Fig. 4 und 5), welche am Anfang zwischen den Innenflächen 79 der Schaufeln und der Welle 37 vorhanden sind, ferngehalten wird.
Eine Lüftungsöffnung 86 verbindet die Räume 85 hinter den Schaufeln mit einer Zone mit reduziertem Schlammdruck unterhalb des Antriebes, damit das Vakuum, welches dann entsteht, wenn der Druck auf den Schlamm nicht mehr ausgeübt wird, aufgehoben wird, und somit die Schaufeln öffnen können, damit der Motor anhält.
Ein derartiger Lüftungskanal verhindert ferner, dass sich im Schlamm hinter den Schaufeln ein hoher Druck aufbaut, sofern die Dichtungsstreifen 82 nicht ganz dicht sind, damit der erforderliche Druckunterschied über die Schaufeln im Betrieb aufrechterhalten werden kann.
Es sind ferner Mittel vorgesehen, damit der unter Druck stehende Schlamm in beschränktem Masse aus.dem Ring- raum 80 entweichen kann, welcher die Schaufeln dann umgibt, wenn der Rotor dreht. Deshalb ist jede Schaufel an ihrem unteren Ende mit einer sich radial nach aussen erstrekkenden Stufe 87 versehen, welche mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden Schlitz 88 versehen ist. In diesem Schlitz 88 ist ein Einsatz 89 aus Wolframkarbid vorgesehen, welcher einen begrenzten Kanal 90 für den Schlammdurchfluss aufweist. Der Schlitz 88 erstreckt sich ein Stückchen in die Aussenfläche 81 der Schaufel, derart, dass der Einsatz 89 etwas nach innen versetzt ist, relativ zur Aussenfläche 81 (siehe Fig. 3 und 4).
Wenn die Schaufeln im Betrieb nach innen rotieren, werden die einzelnen Kanäle 90 allmählich mit einem Ring von sechs Kanälen 91 ausgerichtet, welche vom Rohr 60 begrenzt sind und an ihren äusseren Enden mittels Streifen 90 (Fig. 1 und 8) abgedichtet sind. Insbesondere aus den Fig. 1 und 7 geht hervor, dass die Einlässe zu den Kanälen 91 des Rohres 60 von Einsätzen 93 aus Wolframkarbid begrenzt sind und dann in schräg zur Achse verlaufenden Kanälen 94 übergehen, damit der Schlamm in das Innere des Rohres 60, d. h. zu dessen Mittelraum 95, wie in den Fig. 1 und 9 gezeigt, fliessen kann. Ein Dichtungsring 96 aus Gummi ist in die obere Fläche des rohrförmigen Körpers 60 eingesetzt und dichtet gegen die unteren Flächen der Schaufeln 62 ab.
Der zum Drehen des Rotors verwendete Schlamm verliert nur einen kleinen Teil seines Druckes bei diesem Vor gang, und zwar bei der gezeigten Ausführung etwa 17,5 kg/cm2. Nachdem der Schlamm seine Antriebsaufgabe erfüllt hat, fliesst er frei durch einen mittigen Kanal über die restliche Länge des Motors bis zum Bohrkopf, wo er nach herkömmlicher Art zum Kühlen und Spühlen verwendet wird. Die in dieser Weise erzeugte Drehzahl des Rotors und somit des Bohrkopfes beträgt etwa 200 bis 250 U/min., welche somit der erwünschten und normalen Drehgeschwindig- keit einer Einrichtung dieser Art entspricht.
Gleichzeitig ist aber viel von der aus dem Schlauch gewonnenen Leistung nicht verloren gegangen, sondern in Drehmoment umgewandelt, so dass der Bohrkopf nicht nur mit der gewünschten Geschwindigkeit rotiert, sondern auch mit der notwendigen Leistung versehen ist.
Die restliche Länge des Rotors unterhalb des gerade beschriebenen Antriebes ist mittels abgedichteter Lager im Gehäuse 1 drehbar angeordnet. Dieser untere Teil des Rotors wird hauptsächlich von der rohrförmigen Rotorwelle 5 gebildet, welche wie bereits erwähnt, mittels sechs Antriebsstäben 6 am unteren Ende des Antriebes befestigt ist, und zwar am unteren Ende des rohrförmigen Körpers 60, welcher den unteren Teil des Antriebes bildet. Ferner wird die Lage des Körpers 60 bezüglich des oberen Endes der Rotorwelle 5 mittels einer Sperrmutter 97 gehalten, welche auf die Rotorwelle 5 aufgeschraubt ist und einen Ring von sechs Allen Schrauben 98 trägt, welche in Gewindelöcher im oberen Ende des Rohres 60 eingeschraubt sind, damit er gegen eine Drehbewegung relativ zur Rotorwelle gehalten wird.
Das obere Ende der Rotorwelle 5 wird dadurch gegen eine Innenschulter 99 des Rohres 60 festgehalten, wobei an dieser Stelle ein Dichtungsring 100 aus Gummi vorgesehen ist.
Weil der Antrieb selbstverständlich im Gehäuse 1 drehbar angeordnet ist, besteht ein Ringkanal 101 zwischen dem unteren Endbereich des Antriebes und der Innenseite des Gehäuses, und im Betriebszustand befindet sich unter Druck stehender Schlamm in diesem Kanal. Dieser Schlamm, welcher nicht durch die begrenzten Kanäle 90 der Schaufeln 62 geflossen ist, hat den gleichen Druck, wenn er in den Oberteil des Motors eintritt, und dieser Druck wird nachstehend als Oberdruck bezeichnet. Dieser Schlamm füllt dann einen weiteren Ringkanal 102 zwischen einer langgestreckten, auf der Rotorwelle 5 aufgeschraubten Mutter 103 und der Innenseite eines Verbindungsgliedes 104, dessen Funktion darin besteht, die oberen und die unteren Teile des äusseren Gehäuses 1 miteinander zu verbinden.
Dieser Oberdruck-Schlamm erreicht nachher das obere Ende einer Dichtung 105, deren Zweck darin besteht, Schlamm von den Radiallagern und den Drucklagern der Rotorwelle fernzuhalten. Die Dichtung 105 ist von ähnlicher Ausführung wie die vorangehend beschriebene Dichtung 44.
Durch die Aufteilung des Gehäuses 1 in zwei Teile, welche mittels des Verbindungsgliedes 104 miteinander verbunden sind, kann der Oberteil leicht entfernt werden. Somit ist der Antrieb zugänglich und kann aus der Rotorwelle 5 herausgenommen werden.
Die Konstruktion und die Schmierart für die Radial- und die Drucklager der Rotorwelle 5 werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher beschrieben.
Es wurde bereits erwähnt, dass die Welle 37, welche den Oberteil des Körpers des Antriebes bildet, mit zwei Bohrungen 41 und 59 versehen ist. Diesen Bohrungen 41 bzw. 59 wird Fett unter Oberdruck vom Zylinder 27 bzw. Druckschlamm aus dem Oberteil zugeführt. Ein Rohr 106 ist am unteren Ende der Bohrung 41 in der Welle 37 befestigt und erstreckt sich gerade durch das Innere der Rotorwelle 5 zu deren unterem Ende. In ähnlicher Weise ist am unteren Ende der Bohrung 59 für den Schlamm in der Welle 37 ein Rohr 107 befestigt, welches sich zum unteren Ende der Rotorwelle 5 erstreckt. Der Zweck des Rohres 106 besteht darin, den Radial- und Drucklagern Fett zuzuführen, während die Zufuhr des Druckschlamms durch das Rohr 107 zum unteren Ende des Motors bezweckt, Schmiermittelausflüsse aus den Lagern an den betreffenden unteren Enden zu verhindern, und zwar in der nachfolgend beschriebenen Art.
Das Lager für die Rotorwelle 5 umfasst ein Hauptachsialdrucklager 108, zwei unter ihm angeordnete Radialgleitlager 109 und 110 sowie ein drittes Radialgleitlager 111 oberhalb desselben. Die bereits erwähnte, oberhalb des Radialgleitlagers 111 angeordnete Dichtung 105 dient dazu, das Eindringen des Oberdruck-Schlamms zum oberen Ende des Lagers zu verhindern. Eine zweite, derjenigen mit 44 bezeichnete, ähnliche Dichtung 112 dient dazu, das Eindringen von Schlamm in das untere Ende des Lagers zu verhindern.
Das Drucklager 108 ist von derjenigen Art, welche in der US-Patentschrift Nr. 3 630 634 beschrieben ist und umfasst einen Stapel von Innen- und Aussenringen 113 und 114, welche an der Rotorwelle 5 bzw. am Gehäuse 1 befestigt sind und bogenförmige Ringeckflächen aufweisen, die sechs in achsialer Richtung auseinanderliegende Spuren für Lagerkugeln 115 aufweisen.
Dabei ist die Anordnung derart, dass der Druck von der Rotorwelle 5 auf das Gehäuse 1 mittels Schubspannung in den Lagerkugeln übertragen wird. Benachbarte Paare von spurbegrenzenden Innen- und Aussenringen 113 und 114 sind von Abstandringen 116 voneinander getrennt, welche derart bemessen sind, dass die Breite der einzelnen Kugelspuren leicht grösser sind als der Kugeldurchmesser. Deshalb werden die Kugeln eines jeden Satzes während der Druckanwendung auf die Lager zwischen einem Paar voneinander diametral gegenüberliegenden, spurbegrenzenden Ringen festgeklemmt, während sie vom anderen Paar frei sind.
Jeder spurbegrenzende Innenring 113 dreht in und ist in Berührung mit anschliessenden Aussenringen 114, damit das Lager zusätzlich zu seiner Hauptfunktion als Drucklager auch noch eine Aufgabe als Traglager erfüllen kann.
Jedes der Radiallager 109 bis 111 umfasst eine Lagerhülse aus gehärtetem Stahl, welche am Gehäuse 1 befestigt und drehbar an einer von einer Reihe von Lagerhülsen 117 angeordnet sind, die an der Rotorwelle 5 montiert und mittels der erwähnten länglichen Mutter 103 daran befestigt ist.
Die Lagerhülse des Radiallagers 111 wird in ihrer Lage von einer Sperrhülse 118 gehalten, die mittels eines Schraubengewindes 119 am Gehäuse 1 befestigt ist. Die Sperrhülse 118 greift auch in den Oberteil eines Stapels von Aussenringen 114 des Drucklagers 108 ein, damit es im Gehäuse 1 gehalten wird.
Die zwei unteren Radiallager 109 und 110 umfassen ihrerseits Lagerhülsen aus gehärtetem Stahl, welche am Gehäuse 1 innerhalb eines Paares von Hülsen 120 und 121 befestigt sind. Diese Hülsen 120, 121 sind zwischen dem unteren Ende des Stapels aus Aussenringen 114 des Drucklagers und die Endarmatur 4 des Gehäuses 1 angeordnet und sind mittels eines O-Ringes 122 gegen dieses abgedichtet. Die untere Dichtung 112 des Lagers befindet sich innerhalb der Endarmatur 4.
Das Fett zum Schmieren des Lagers wird von einem Rotor, durch eine daran vorhandene Armatur 123, ferner durch drei Kanäle 124, welche vom unteren Ende der Rotorwelle 5 und vom untersten der Hülsen 117 begrenzt wird, und dann weiter zu einem Ringkanal 125 geführt, welcher in einem Dichtungsring 126 am oberen Ende der Dichtung 112 vorgesehen ist. Von diesem Punkt weg kann das Fett in zwei Richtungen fliessen. Erstens fliesst es rund um die Aussenseite der Dichtung 112 bis zu dessen unterem Ende und zweitens strömt es aufwärts durch das gesamte Lager zum Oberteil der oberen Dichtung 105.
Es wird darauf hingewiesen, dass das auf diese Weise zugeführte Fett unter Oberdruck steht, weil es von unter Oberdruck stehendem Schlamm, welcher dem Kolben 33 am Oberteil des Gesteinsbohraggregates zugeführt wird, unter Druck gesetzt wird. Dasjenige Fett, welches den Oberteil der Dichtung 105 des Lagers erreicht, steht deshalb unter dem gleichen Druck wie der Schlamm, der wie bereits erwähnt, dem Oberteil der betreffenden Dichtung über den Ringkanal 102 zugeleitet wird. Deshalb besteht keine bedeutende Tendenz bei dem unter Oberdruck stehenden Schlamm am oberen Ende der Dichtung 105 in diese und somit in das Lager einzudringen. Im Verbindungsglied 104 ist ein Lüftungsstopfen 127 vorgesehen, und zwar benachbart zum oberen Ende der Dichtung 105, damit der Motor mit Fett ganz gefüllt werden kann.
Der Zweck der Zufuhr von Oberdruck-Schlamm zum unteren Ende des Motors durch das Rohr 107 besteht darin, ein Fettleck durch die untere Dichtung 112 nach aussen praktisch zu verhindern. Dieser Schlamm strömt durch die Endarmatur 128 des Rohres 107, und einen Kanal 129 in der Endarmatur 8 der Rotorwelle zu einem Kanal und der untersten Hülse 117, und von dort zu einer ringförmigen Rille 131, welche von der Lagerhülse 117 innerhalb der Dichtung 112 begrenzt ist. Deshalb wird Oberdruck-Schlamm zu einem Punkt in der Dichtung 112, zwischen deren Enden geführt, und von diesem Punkt aus kann er ausserhalb des Motors, längs der Innenseite der Dichtung, zu einem Auslass 132 ausfliessen. Dieses Leck kommt dadurch zustande dass der Druck des längs der Aussenseite des Motors fliessenden Schlamms etwa 70 kg/cm2 kleiner ist als der Oberdruck.
Da der Schlamm, welcher der Innenseite der Dichtung 112 zugeführt wird, den gleichen Oberdruck aufweist, wie das dem oberen Ende der Dichtung zugeführte Fett, wird es eine Fettleckage durch die Dichtung weitgehend verhindern und somit besteht praktisch der gesamte Ausfluss aus leicht ersetzbarem Schlamm.
Für die Fettzufuhr zu den Kanälen 124 zum Wiederauffüllen des Motors, wenn er zum Auswechseln des Bohrkopfes aus dem Bohrloch herausgezogen wird, steht ein Zapfen 133 zur Verfügung. Die Endarmaturen 123 und 128 der Rohre 106 und 107 werden von einer Sperrhülse 134 in ihren Lagen gehalten, welche mittels Schraubengewinde in der Endarmatur 8 der Rotorwelle befestigt ist. An den beiden Endarmaturen 123 und 128, welche sich verformen, wenn die Hülse 134 zum Abdichten gegen die Endarmatur 8 angezogen wird, befinden sich Dichtungsansätze 135.