DE3008856C2 - Hydraulischer Bohrlochmotor - Google Patents
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Description
35
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Bohrlochmotor, insbesondere zum Bohren von Ölbohrungen und
Brunnen, mit einer Kammer, deren Achse der Durchströmungsrichtung des Bohrgutes parallel läuft
und deren innere Oberfläche eine zykloidenförmige Wendelfläche bildet, weiche eine in der Kammer
geführte, rotierende Spindel mit ebenfalls zykloidenförmiger Wendeloberfläche umgibt.
Bei einem bekannten hydraulischen Bohrlochmotor dieser Art (US-PS 38 40 080) ist es nachteilig, daß die
Mittellinie der Spindel nicht mit der Mittellinie der Kammer zusammenfällt, so daß sich während des
Betriebs die Spindelmittellinie um die Kammermittellinie auf einer Kreisbahn bewegt. Demzufolge kann die
Drehbewegung der Spindel nur mit Hilfe einer Kardanwelle auf den Bohrer bzw. auf die die
Drehbewegung vermittelnde Antriebswelle übertragen werden. Die Kardanwelle schließt mit der Spindel bzw.
der Antriebswelle einen Winkel ein, wodurch die Reibungskraft zwischen der Spindel und der Kammer
um die sich aus der Schräge der Kardanwelle ergebende Radialkomponente der Reibungskraft, die von dem auf
die Spindel einwirkenden hydraulischen Druck abhängt, vergrößert wird. Wirkungsgrad und Lebensdauer des
Bohrlochmotors werden dadurch erheblich verringert. Darüber hinaus treten wegen der Exzentrizität der
Spindelmittellinie in bezug auf die Kammermittellinie bei großen Spindeldrehzahlen erhebliche Massenkräfte
auf, die die Oberflächen der Kammer und der Spindel beeinträchtigen, Schwingungen hervorrufen und zu
Ermüdungsbrüchen des Bohrrohres führen können. Die erhöhte Reibungskraft vermindert des weiteren auch
das zum Bohren zur Verfügung stehende Drehmoment.
Es sind auch Pumpenantriebsvorrichtungen bekannt (US-PS 18 92 217), bei denen Pumpenrotor und
Pumpenstator aus zykloidenförmige Wendeloberflächen aufweisenden Körpern bestehen, die jedoch
ebenfalls aufgrund der Tatsache, daß die Mittellinien von Stator und Rotor nicht zusammenfallen, die oben
geschilderten Nachteile aufweisen, falls sie als Aggregate für hydraulische Bohrlochmotoren eingesetzt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, den hydraulischen Bohrlochmotor der genannten Art
hinsichtlich Leistung, Betriebssicherheit sowie Betriebsund Herstellungskosten so zu verbessern, daß nicht nur
eine erhebliche Wirkungsgradsteigerung erreicht wird,
sondern auch ein vibrationsfreier und langjähriger störungsfreier Betrieb.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kammer um die Längsachse der Spindel
drehbar gelagert und exzentrisch zu dieser angeordnet ist, daß das Querprofil der Wendeloberfläche der
Kammer oder das Querprofil der Wendeloberfläche der Spindel eine Orthozykloide oder eine verkürzte
Zykloide ist, und daß die Spindel oder die Kammer zu
einem sie umgebenden Außenmantel konzentrisch angeordnet sind.
Durch diese Konstruktion, bei der die Kammer des Bohrlochmotors drehbar gelagert ist ist ein statischer
und dynamischer Massenausgleich der rotierenden Teile erreichbar, so daß der Bohrlochmotor im wesentlichen
schwingungsfrei arbeitet, wobei seine Drehzahl und Leistung zur Geschwindigkeit bzw. zum Druck des ihn
durchströmenden Mediums proportional ist, wodurch sich der Bohrlochmotor beispielsweise zum Niederbringen
von Erdölbohrungen gut eignet und dabei vor allem zur Herstellung von tiefen Bohrlöchern und auch schräg
verlaufenden Bohrlöchern. Letzteres ist darauf zurückzuführen, daß in derartigen Bohrlöchern das Bohrwerkzeug
mit relativ kleinen Energieverlusten bei relativ großem Drehmoment antreibbar ist.
Der erfindungsgemäße hydraulische Bohrlochmotor besteht aus einer zur Richtung der Strömung parallelen
und eine z*-gängige innere Wendelfläche aufweisenden
Kammer und aus einer innerhalb der Kammer befindlichen, (zo = zk + l)-gängigen oder (zo = zk-1)-gängigen
äußeren Wendelfläche mit einer Spindel, deren Gangrichtung mit derjenigen der Kammer
übereinstimmt. Das Querprofil der Spindel oder der Kammer stellt eine Orthozykloide oder eine verkürzte
Zykloide dar. Im Falle der Spindel mit einer Zykloide als Querprofil ist das in der gleichen Ebene liegende
Querprofil der Kammer und im Falle der Kammer mit der Zykloide als Querprofil ist das in der gleichen Ebene
liegende Querprofil der Spindel durch die äußere bzw. innere Hüllkurve der durch die Zykloide während der im
folgenden beschriebenen Relativbewegung beschriebenen Fläche begrenzt. Die Achse der Spindel läuft in
einem Abstand »e« parallel zur Kammerachse und fällt mit der Achse des zylindrischen äußeren Mantels
zusammen. Die Gewindesteigung ho der Spindel
entspricht der z,/z*-fachen Gewindesteigung Λ* der
Kammer. Jedes Querprofil der Spindel paßt sich an das in der gleichen Ebene liegende Querprofil der Kammer
spielfrei oder mit einem nur minimalen Spiel an und teilt das lichte Raumprofil der Kammer infolge der
veränderlichen Steigung entlang der Mittellinie in veränderliche, d. h. sich stetig vergrößernde oder
verkleinernde Oberflächenteile auf, wodurch zwischen den Gewinden der Kammer und der Spindel geschlosse-
ne Volumenräume gleicher Länge und Form für das die Vorrichtung antreibende Medium, also im allgemeinen
Spülflüssigkeit oder Gas, bleiben. Diese Raumteiler wiederholen sich entlang der Mittellinie in Abständen
phasengleich. Die Einlaßseite ist von der Auslaßseite getrennt. Dadurch wird gewährleistet, daß das Medium
im Ruhezustand der Vorrichtung oder beispielsweise im Falle eines Festlaufens ohne Energieabgabe nicht
durchfließen kann.
Bei der erfindungsgemäßen Drehkammerausführung ist die Kammer im druckfesten Gehäuse mit einer
Exzentrizität »e« gelagert, wobei sich die Spindel in der Mittellinie des druckfesten Gehäuses befindet.
Bei dieser Ausführungsform drehen sich die Kammer mit einer Drehzahl nk und die Spindel mit einer
Drehzahl
unter Abbau der Druckenergie des strömenden Mediums, und zwar entsprechend der Men*e des
geförderten Mediums und der Zwangsverbindung der Profile bzw. der Profiländerung, wobei sich jedes
Volumenelement des Förderstroms mit einer Geschwindigkeit
ohne Form- und Volumenänderungen drallfrei in Achsrichtung vorwärts in Richtung auf die Niederciruckauslaßseite
bewegt. Die Drehkammerausführung des erfindungsgemäßen hydraulischen Bohrlochmotors hat
keine oszillierenden Bauteile. Die mehrgängige Kammer und Spindel drehen sich infolge der Symmetrie der
Profile um die eigene Mittellinie, während sich die eingängige Kammer und Spindel, insbesondere im Falle
von großen Drehzahlen, durch entsprechende Verjüngungen oder Ausnehmungen statisch und dynamisch
auswuchten lassen.
Die Erfindun«? wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform des hydraulischen Bohrlochmotors
mit der rotierenden Kammer, die eine eingängige Wendelfläche mit einem einfachen Ef izykloidenprofil
und eine zweigängige Spindel mit einem elliptischen Profil besitzt,
F i g. 2 eine waagerechte Schnittansicht längs der Linie A-A aus Fig. 1 sowie 'ängs der Linie B-B(dünne
Linie)in Fig. 1,
F i g. 3 eine Längsschnittan«icht einer anderen Ausführungsform
des Bohrlochmotors mit einer eine dreigängige Wendelfläche mit dreifachem Epizykloidenprofil
aufweisenden Kammer und einer viergängigen Spindel mit vierfachem Hypozykloidenprofil und
Fig.4 eine waagerechte Querschnittsansicht längs der Linie C-Cin F i g. 3.
Der in F i g. 1 schematisch dargestellte hydraulische Bohrlochmotor arbeitet auch unter extremen Betriebsbedingungen
vorteilhaft. Hierzu weist er eine exzentrische Hülse 2 auf, in der an beiden Enden ein mit
Gewinden versehener Mantel 1 befestigt ist. Die exzentrische Hülse 2 bildet das radiale Lager der
Kammer 3, die als Drehkammer mit einer eingängigen inneren Wendeloberfläche versehen ist. Die exzentrische
Hülse 2 ist zur Zentrierung der Mittellinie sowie zur Gewährleistung des Nebenstroms des Mediums mit
Verjüngungen oder Ausnehmungen und zur Schmierung mit spiralförmigen Nuten und radialen Bohrungen
an der inneren Oberfläche versehen. Die Kammer 3 liegt in Axialrichtung zwischen dem Fußlager 4 und dem
Obergang 5. Dieser Obergang ist mit einer oder mehreren Bohrungen versehen, die in die Nebengänge
der exzentrischen Hülse 2 führen. Die Winkellage ist durch den Paßstift 6 gesichert. Die Zentrierung des
ίο Fußlagers 4 wird durch den exzentrischen Lagersitz, der
in der oberen Ebene des in dem Mantel 1 in einem Paßsitz montierten Zwischenstückes 7 liegt, vorgenommen,
und die entsprechende Richtung der Exzentrizität wird durch den Paßstift 8 gewährleistet Der asymmetrisehe
innere Hohlraum des Zwischenstücks 7, der zur Durchleitung des Arbeitsmediums dient, ist über ein
oder mehrere Bohrungen mit den Nebengängen der exzentrischen Hülse 2 verbunden. Die Bohrung bzw.
Bohrungen, die im Übergang 5 ausgebildet sind und die in die Nebengange der exzentrischen Hülse 2 führen,
sowie die Nsoengänge der exzentrischen Hülse 2 und die Bohrungen, die in den inneren Hohlraum des
Zwischenstücks 7 führen, bilden ein UmgeLüngsrohrsystem.
Dieses Umgehungsrohrsystem gewährleistet die Aufrechterhaltung eines verminderten Spülstroms >m
Falle eines Festlaufens des Bohrwerkzeugs. Die durch den hydraulischen Druck während des Betriebs
erzeugte und auf die Kammer 3 wirkende Axialkraft wird über das Fußlager 4 und das Zwischenstück 7 auf
die obere Ebene des Lagergehäuses 9 übertragen, das an das ein Verjüngungsgewinde aufweisende untere Ende
des Mantels 1 angeschlossen ist Die Antriebswelle 11,
die die Drehbewegung der eine zweigängige Wendelobertiäche aufweisenden Spindel 10 auf das Bohrwerkzeug
überträgt, ist in das Lagergehäuse 9 eingebettet. Die Antriebswelle 11 ist in Radialrichtung durch eine in
das Lagergehäuse 9 eingepreßte Buchse 12 und in Axialrichtung durch ein Fußlager 13 und ein weiteres
mit einer Lagermutter 14 befestigtes Fußlager 15 unterstützt. Das Gewicht der Spindel 10 und aie Kiaft.
die während des Betriebs durch den hydraulischen Druck zeugt wird und auf die Spindel einwirkt, belasten
das Füillager 15 über eine Kupplung 16, die Antriebswelle
11 und die Lagermutter 14. Die axiale Belastung des Bohrwerkzeugs wird über das Fußlager 13 und die
Antriebswelle 11 übertragen. Das Spülmed'um gelangt aus dem asymmetrischen Hohlraum des Zwischenstücks
7 über die im Mantel der Antriebswelle 11 ausgebildeten Öffnungen und über die in Axialrichtung liegende
zentrische Bohrung zu den Düsen des Bohrwerkzeugs bzw. zum Boden des Bohrloches. Der obere Zapfen der
Spindel 10 ist in einem mit einer Obergangspassung in den Mantel 1 montierten Spindellager gelagert, dessen
sich an den Mantel 1 anpassender äußerer Ring und die das Spindellager 17 bildende Nabe mit Hilfe von
stromlinienförmigen Speichen verbunden sind. Dps Spindellager 17 ist durch den Paßstift 18 gegen
Verdrehen gesichert. Ein Schieber 20, der durch eine Schraubenfeder 19 in seiner oberen Lage gehalten wird,
kommt während Jes Betriebs unter Wirkung der Druckdifferenz, entgegen der Federkraft in die untere
Lage und verschließt den ringförmigen Raum, der zu den am Mantel 1 ausgebildeten radialen Bohrungen
führt. Wenn das Medium aufhört zu strömen, gelangt der Schieber 20 in die obere Lage, und das Spülmedium
kann die Filter 21 und die Bohrungen, die im Ring des Spindellagers 17 ausgebildet sind, frei durchströmen.
Somit gewährleistet der Schieber 20 während des
Betriebs die Aufrechterhaltung des zum Drehen der Spindel nötigen Überdrucks, ferner bei der Montage des
Bohrlochmotors die Druckbeaufschlagung der Einrichtung und beim Aufholen des Bohrgestänges die
Einleitung des im Bohrrohr befindlichen Spülmittels in das Bohrloch.
Die in F i g. 3 u. 4 dargestellte Ausführungsform weist eine Kammer 23 auf. die fest in den Mantel 22 eingepaßt
ist und innere Wendeloberflächen besitzt. Das Querprofil der Kammer 23 stellt eine dreifache Epizykloide dar.
Die mit einer äußeren Wendeloberfläche versehene Spindel 24 paßt sich an die Wcndeloberfläche der
Kammer 23 an. Die Spindel 24 weist ein vierfaches I lypozykloidenprofil auf, das in der gleichen Ebene der
Kammer 23 während der Relativbewegung durch die innere Hüllkurve der durch das Kammerprofil gebildeten
Oberfläche begrenzt wird. Das durch den hydraulischen Druck hervorgerufene Drehmoment und die
axiale Kraft werden durch die mit einem Elastomer-
scMutzrohr versehene Kardanwelle 25 über die SiCn iiü _ίι «es »»crrCECUg
24, wobei das Ventil 27 durch eine Schraubenfeder 26 abgestützt ist und während des Betriebs unter der
Wirkung der Druckdifferenz und entgegen der Federkraft in die untere Lage gelangt.
Die Vorteile des hydraulischen Bohrlochmotors der oben beschriebenen Art bestehen darin, daß dieser
Motor den technologischen Anforderungen des Rotary-Bohrens vollständig entspricht, wobei er mit einem
großen Drehmoment und gutem Wirkungsgrad arbeitet und eine verhältnismäßig lange Lebensdauer besitzt,
infolge des Volumenverdrängungsprinzips wird die Energie des Spiilmiltels ausgenützt. Die bei den
bekannten nach dem Volumenverdrängungsprin/ip arbeilenden Bohrlochmotoren verwendete Kardanwel-Ie
erübrigt sich, weil bei der erfindungsgemäßen Konstruktion Spindel und Werkzeug konzentrisch
angeordnet sind. Im Falle eines Festlaufens wird automatisch ein verminderter Spülmittelstrom erzeugt,
um die Ablagerung des Bohrgutes und das Festsetzen
I IIIIIUl.1
Lagergehäuse 9 drehende Antriebswelle Il auf das Bohrwerkzeug übertragen. Bei dieser Ausführungsform
gewährleitstet das Ventil 27 den Nebenstrom der Spülflüssigkeit über die zentrische Bohrung der Spindel
gegen Verunreinigungen weitgehend unempfindlich und weist eine gewisse Selbstsäubcrungsfähigkeit auf, wobei
kleinkörnige Verunreinigungen ungehindert durch den Motorteil hindurchlaulen können.
Claims (3)
1. Hydraulischer Bohrlochmotor, insbesondere zum Bohren von Ölbohrungen und Brunnen, mit
einer Kammer, deren Achse der Durchströmungsrichtung des Bohrgutes parallel läuft und deren
innere Oberfläche eine zykloidenförmige Wendelfläche bildet, welche eine in der Kammer geführte,
rotierende Spindel mit ebenfalls zykloidenförmiger
Wendeloberfläche umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (3, 23) um die
Längsachse der Spindel (10, 24) drehbar gelagert und exzentrisch zu dieser angeordnet ist, daß das
Querprofil der Wendeloberfläche der Kammer oder υ das Querprofil der Wendeloberfläche der Spindel
eine Orthozykloide oder eine verkürzte Zykloide ist,
und daß die Spindel oder die Kammer zu einem sie umgebenden Außenmantel konzentrisch angeordnet
sind.
2. Bohrtochmotor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die zykioidenförmige Wendelfläche
der Kammer (3) das Profil einer Epizykloide und die Spindel (10) ein zweigängiges elliptisches
Profil aufweisen.
3. Bohrlochmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zyk'.oidenförmige Wendelfläche
der Kammer (23) als dreigängige Wendelfläche mit dreifachem Epizykloidenprofil und die
Spindel (24) als viergängige Spindel mit vierfachem Hypozykloidenprofil ausgebildet sind.
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