|
(11) | EP 0 220 318 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
| veröffentlicht nach Art. 158 Abs. 3 EPÜ |
|
|
|
|
||||||||||||||||
| (54) | BOHRLOCHSCHRAUBENMOTOR |
| (57) Der Bohrlochsohlen-Schraubenmotor enthält ein Gehäuse (1) mit in seinem Inneren untergebrachten
Arbeitsorganen, die aus zwei Elementen bestehen: einem äußeren Element, das in Gestalt
einer Büchse (2) mit inneren Schraubenzähnen (2') ausgebildet ist, und einem inneren
Element, das in Form einer Welle (3) mit äußeren Schraubenzähnen (3') ausgeführt ist.
Die Zähne (2') und (3') der Büchse (2) und der Welle (3) stehen in dauerndem Eingriff
miteinander. Die Büchse (2) ist mit einer Ausgangswelle (4) verbunden, die in Gehäuse
(1) in Achslagern (5) gelagert ist. Die Schraubenwelle (3) ist mit dem Gehäuse (1)
radial verschiebbar mit gleichzeitiger Sicherung gegen Drehung um die eigene Achse
verbunden. Zwischen dem Gehäuse (1) und der Büchse (2) sind im Bereich der Schraubenzähne
(2') derselben elastische Energieabsorber (10) angeordnet. |
[0002] Die Erfindung bezieht sich auf die Bohrtechnik und betrifft insbesondere Bohrlochsohlen-Schraubenmotoren.
Stand der Technik
[0003] Zum Niederbringen von Bohrlöchern werden zur Zeit zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren angewendet. Das erste Verfahren stellt ein Rotarybohren dar, bei welchem der Motor auf der Tagesoberfläche installiert ist, wobei die Drehbewegung zum Meißel hin über ein Bohrgestänge übertragen wird. Das zweite Verfahren sieht den Einsatz von Motoren vor, die sich auf Bohrlochsohle unmittelbar über dem Meißel befinden. Das Bohrgestänge ist dabei unbeweglich. Das zweite Verfahren hat eine ganze Reihe von offensichtlichen Vorteilen: Kein Energieaufwand für die Drehung des Bohrgestänges, Verminderung von Belastungen des Bohrgestänges und dementsprechende Verringerung der Anzahl von Unfällen > usw. Besonders deutlich zeigen sich die Vorteile von Bohrlochsohlenmotoren beim Niederbringen von geneigten Bohrungen.
[0004] Unter allen Typen von Bohrlochsohlenmotoren, die gegenwärtig in der Praxis des Bohrens von Bohrlöchern verwendet werden, erfahren Schrauben-Bohrlochsohlenmotoren eine immer stärkere Verbreitung.
[0005] Sie zeichnen sich durch einen einfachen Betrieb eine einfache Bedienung kleine Außenabmessungen aus, sie können mit Bohrspülungen unterschiedlicher Dichte betrieben werden (M.T. Gusman, D.F. Baldenko u.a. "Bohrlochsohlen-Schraubenmotoren zum Niederbringen von Bohrlöchern", Moskau, Verlag Nedra, 1981). Diese Motoren enthalten üblicherweise ein Gehäuse, eine Ausgangawelle mit Radial- und Axiallagern und Arbeitsorgane, die aus zwei Elementen bestehen: einer Außenbüchse mit inneren Schraubenzähnen und einer in derselben untergebrachten Welle mit äußeren Schraubenzähnen. Die Zähnezahl der Büchse übersteigt um eins die Zähnezahl der Welle, was bei ihrer Zusammenwirkung eine Aufteilung des Innenraumes der Arbeitsorgane in Hochdruck- und Niederdruckräume gewährleistet. Beim Durchpumpen der Flüssigkeit durch die Arbeitsorgane beginnen diese unter der Wirkung eines entstehenden Druckgefälles sich relativ zueinander zu bewegen. Beim typischen Motorschema ist die Außenbüchse feststehend, während die innere Welle eine Planetenbewegung vollführt - ihre Achse beschreibt einen Kreis um die Achse der Außenbüchse, und gleichzeitig dreht sich die innere Welle um die eigene Achse. Diese Drehbewegung wird auf die Ausgangswelle des Motors übertragen. Es sind auch andere Bewegungsarten der Arbeitsorgane möglich, wenn, z.B., das äußere Element rotiert, das innere Element aber eine Schwingbewegung (Führungsbewegung) vollführt. Indem man die Zähnezahl und die Länge der Schraubenzahnteilung ändert, kann man eine beliebige (erforderliche )Betriebskennlinie erzielen. Als Energiequelle für die Arbeit des Motors dient meist ein Flüssigkeitsstrom, jedoch kann der Motor auch mit belüfteter Flüssigkeit oder Druckluft betrieben werden.
[0006] Der Hauptnachteil der genannten Motoren ist eine starke Quervibration, die unter der Wirkung der spezifischen Bewegung des inneren Elementes der Arbeitsorgane entsteht. Die Vibration ruft einen vorzeitigen Ausfall der Arbeitsorgane und der Axiallager des Motors hervor und kann zu einem Versagen führen.
[0007] Es ist ein Bohrlochsohlenmotor (US-Patentschrift Nr.4232751, IPK F 21 B 3/12) bekannt, enthaltend eine Außenbüchse und,in deren Innerem angeordnet, : eine innere Welle, eine Antriebswelle und eine Muffe zum Kuppeln der Antriebswelle und der Außenbüchse.
[0008] Diesem Motor sind Nachteile eigen wie eine große Quervibration des Gehäuses und beträchtliche axiale Abmessungen, welche den Einsatz des Motors beim Richtbohren in schräger Richtung erschweren. Die durch die Planetenbewegung der inneren Welle bewirkte Gehäusevibration kennzeichnet sich durch eine ungleichmäßige Amplitude der Vibration über die Gehäuselänge. Dies hängt damit zusammen, daß beim Lauf des Motors die Orientation der inneren Welle unter der Wirkung eines auf dieselbe einwirkenden Druckgefälles gestört wird.
[0009] Am nächsten kommt der vorliegenden Erfindung dem Wesen nach ein Bohrlochsohlen-Schraubenmotor, wie er in der FR-Patentschrift 2242553,(IPK E 21 B 3/12, F 03 C 3/00) beschrieben ist. In einer der Ausführungsformen des Motors schließt dieser ein Gehäuse mit in seinem Innenraum montieren Arbeitsorganen ein, die aus zwei Elementen bestehen: einem inneren Element, das in Form einer Welle mit Schraubenzähnen ausgebildet und mit dem Gehäuse verbunden ist, und einem äußeren Element, das als Büchse mit inneren Schraubenzähnen gestaltet ist. An dem einen Ende des äußeren Elementes ist ein Meißel angebracht, während das andere Ende mit einer im Gehäuseinnenraum angeordneten tragenden Welle verbunden ist. Im Inneren der tragenden Welle befindet sich ein Element, welches die die Schraubenzähne aufweisende Welle mit dem Gehäuse verbindet.
[0010] Bei dieser Konstruktion wird eine Reduzierung der axialen Abmessungen des Motors dank der Unterbringung des Elementes zur Verbindung der Schraubenwelle und des Gehäuses im Innenraum der tragenden Welle erzielt, jedoch sind auch bei dieser Konstruktion große Quervibrationen des Motors zu verzeichnen. Wie bereits früher gesagt, ist die Planetenbewegung der Welle innerhalb der Außenbüchse ein integrierender Bestandteil des Arbeitsprozesses für den Schraubenmotor. Die Drehzahl der Achse der inneren Welle übersteigt um ein K-faches die Drehzahl der Ausgangswelle, wobei K die Zahl der Schraubenzähne der inneren Welle ist. In Anbetracht dessen, daß die Masse der inneren Welle beträchtlich ist und daß ihre Achse die Orientation unter der Wirkung eines Druckgefälles stets ändert, stellen die Arbeitsorgane des Schraubenmotors einen leistungsstarken Erzeuger von Querschwingungen dar. Die hierbei entstehenden Vibrationen setzen die Nutzungsdauer der Arbeitsorgane des Motors erheblich herab, im besonderen die der Außenbüchse, bei der die Innenfläche mit den Schraubenzähnen meist aus einem Elastomer hergestellt ist. Die Vibration vermindert die Haltbarkeit der Axiallager des Motors, die üblicherweise mit Wälzkörpern ausgeführt und auf die Aufnahme von axialen Belastungen ausgelegt sind. Außerdem kann die verstärkte Vibration des Motorgehäuses zum Losdrehen der Gewindeverbindungen des Motors und zu einer Störung im Bohrloch sowie zu einem übermäßig raschen Verschleiß von Zentrier- und Kalibrierelementen führen, die am Motorgehäuse beim Richtbonren in schräger Richtung angebracht werden.
[0011] Zu einem weiteren Nachteil dieser Konstruktion zählt ein vergrößerter Strömungswiderstand im Kanal der tragenden Welle infolge der Anordnung des Elementes zum Verbinden der Schraubenwelle und des Gehäuses innerhalb der tragenden Welle.
Offenbarung der Erfindung
[0012] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor zu schaffen, dessen Konstruktion es gestattet, den Einfluß der Quervibrationen auf die Baueinheiten des Motors bedeutend zu vermindern.
[0013] Diese - Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Motor, der ein Gehäuse mit in seinem Inneren untergebrachten Arbeitsorganen enthält, von denen das eine in Gestalt einer Büchse mit inneren Schraubenzähnen ausgebildet ist, welche mit einer Ausgangswelle verbunaen ist, die einen Meißel trägt und im Gehäuse axial drehbar gelagert ist, während das andere Arbeitsorgan in Form einer Welle ausgeführt ist, die innerhalb der Buchse mit Möglichkeit einer radialen Bewegung mit gleichzeitiger Sicherung gegen Drehung um die eigene Achse anbeordnet und mit Schraubenzännen versehen ist, die mit den Zähnen der Büchse zusammenwirken, deren Zahl um eins die Zahl der Zähne der Welle übersteigt, erfindungsgemäß zwischen dem Gehäuse und der Büchse im Bereich der Schraubenzähne derselben elastische Energieabsorber angeordnet sind.
[0014] Die Anordnung der elastischen Energieabsorber zwischen dem Gehäuse und der drehbaren Büchse im Bereich ihrer Schraubenzähne gestattet es, die Höhe der Quervibration der Arbeitsorgane erheblich zu senken. Die elastischen Energieabsorber machen es möglich, die Orientation der rotierenden Büchse zu stabilisieren, was wiederum die Möglichkeit bietet, Kräfte auf das Motorgehäuse gleichmäßig zu übertragen. Ein beim Motorlauf im Spalt zwischen den elastischen Energieabsorbern und der Büchse sich bildender Flüssigkeitsfilm begrenzt ebenfalls die Schwingungen der Büchse in Querrichtung und vermindert die Reibung in Radiallagern.
[0015] Die erfindungsgemäße Konstruktion des Motors gestattet es, die Betriebszeit des Motors und seiner Baueinheiten beträchtlich zu verlängern.
[0016] In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Gesamtlänge der elastischen Energieabsorber mindestens gleich der Länge des mit den Schraubenzähnen versehenen Abschnittes der Büchse. Hierbei wird die maximal mögliche Senkung der Vibrationshöhe erzielt und die günstigsten Bedingungen für die Arbeit der Motorbaueinheiten sichergestellt.
[0017] Wenn die Länge der elastischen Energieabsorber kleiner als die Länge des mit den Schraubenzähnen versehenen Abschnittes der Büchse ist, so wird keine volle Stabilisierung der Orientation der rotierenden Büchse gewährleistet, und die Querkräfte werden auf das Gehäuse ungleichmäßig übertragen. Überdies sind spezifische Belastungen je Längeneinheit der elastischen Energieabsorber hoch.
[0018] Die Ausführung der Länge der elastischen Energieabsorber größer als die Länge des mit den Schraubenzähnen versehenen Abschnittes der Büchse führt keine wesentliche Verbesserung der Betriebsverhältnisse für die Motorbaueinheiten herbei, hat jedoch eine ungerechtfertigte Vergrößerung der axialen Abmessungen des Motors zur Folge.
[0019] Das Paket der elastischen Energieabsorber tritt zugleich als eine Dichtung auf, die Leckverluste der Spülflüssigkeit vermindert. Zur Erhöhung der effektiven Arbeit der elastischen Energieabsorber als Dichtung ist es zweckmäßig, zwischen den elastischen Energieabsorbern Labyrinthdichtungen anzubringen. Dadurch kann in recht einfacher Weise die Menge der Flüssigkeit verringert werden, die durch die Axiallager fließt und Feststoffe enthält. Durch Verringerung der Menge der in die Axiallager gelangenden Teilchen mit Schmirgelwirkung wird die Lebensdauer dieser Axiallager erhöht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0020] Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel und aus beigefügten Zeichnungen erkennbar; in diesen zeigt:
Fig. 1 die Gesamtansicnt eines Motors im Längsschnitt;
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II - 11 der Fig. 1 im vergrößerten Maßstab;
Fig. 3,4,5 Ausführungsformen einer Labyrinthdichtung.
Beste Ausführungsform der Erfindung
[0021] Der Bohrlochsohlen-Schraubenmotor enthält ein Gehäuse 1 (Fig.l), in dem Arbeitsorgane untergebracht sind, welche aus zwei Elementen bestehen: einem äußeren Element, das in Gestalt einer Büchse 2 mit inneren Schraubenzähnen 2'ausgebildet ist, und einem inneren Element, das in Form einer Welle 3 mit äußeren Schraubenzähnen 3' ausgeführt ist.
[0022] Die Zahl der Schraubenzähne 2' der Büchse 2 übersteigt um eins die Zahl der Schraubenzähne 3' der Welle 3. Im vorliegenden konkreten Beispiel (Fig. 2) ist die Zähnezahl der Büchse 2 gleich elf und die der Welle 3 gleich zehn, obwohl sie sich je nach den an den Motor gestellten technischen Forderungen in weiten Grenzen ändern kann.
[0023] Die Büchse 2 ist mit einer Ausgangswelle 4 verbunden, die im Gehäuse 1 in Achslagern 5 gelagert ist. Am Ende der Welle 4 ist eine Büchse 6 zum Anschluß eines (in Fig. nicht gezeigten) Meißels und ein Radiallager 7 vorhanden, das die beim Betrieb des Meißels entstehenden Radialbealstungen aufnimmt.
[0024] Die Welle 3 ist mit Hilfe eines speziellen Elementes, im vorliegenden Fall mit Hilfe einer biegsamen Welle 8, mit einer Büchse 9 verbunden, die ihrerseits mit dem Gehäuse 1 unbeweglich verbunden ist.
[0025] Zwischen dem Gehäuse 1 und der Büchse 2 sind im Bereich ihrer Schraubenzähne elastische Energie absorber 10 angeordnet. Die Gesamtlänge der elastischen Energieabsorber 10 soll die Länge des mit den Schraubenzähnen 2' versehenen Abschnittes der Buchse 2 nicht unterschreiten. Die elastischen Energieabsorber können verschieden gebaut sein. In diesem Fall handelt es sich um elastische Energieabsorber, die eine Reibpaarung Metall - Metall oder Gummi- Metall darstellen, welche in Form von zwei Ringen ausgebildet ist: einem äußeren Ring 11 und einem inneren Ring 12 (Fig. 3). Die Arbeitsflächen der metallischen Ringe 11 und 12 können mit Hartmetall oder einem anderen verschleißfesten und korrosionsbeständigen Überzug bewehrt sein.
[0026] Zwischen den elastischen Energieabsorbern 10 kann eine Labyrinthdichtung in Form von Ringen 13 und 14 (Fig.3) vorgesehen sein, die jeweils im Gehäuse 1 und an der Büchse 2 angebracht werden. Zur Vereinfachung der Montage und der Regelung des Motors sowie zur Ermöglichung großer axialer Verschiebungen der Büchse 2 relativ zum Gehäuse 1 während des Motorbetriebs ist es zweckmäßig, eine Labyrinthdichtung 15 zu verwenden, die im Gehäuse 1 (Fig. 4) angeordnet wird. Zur Erhöhung des Strömungswiderstandes der Labyrinthdichtung 15 ist ihre Oberfläche 16 in der Verengungszone zweckmäßigerweise kegelig (Fig. 5) mit einer Verbreiterung in Strömungsrichtung der Flüssigkeit auszuführen.
[0028] Durch ein Bohrgestänge wird die Spülflüssigkeit den Arbeitsorganen des Motors zugeführt. Die bchraubenzähne 2' und 3' der Büchse 2 und der Welle 3 bilden, indem sie miteinander in Berührung treten Hochdruck- und Niederdruckräume. Unter der Wirkung eines sich bildenden Druckgefälles entsteht an den Arbeitsorganen ein Drehmoment. Die Büchse 2 fängt zu rotieren an, und über die Ausgangswelle 4 und die Büchse 6 wird das Drehmoment auf den Meißel übertragen.
[0029] Ein Rückdrehmoment, das an der Welle 3 entsteht, wird über die biegsame Welle 8 auf die Büchse 9 und das Gehäuse 1 übertragen. Hierbei wird die Welle 3 mit Hilfe der biegsamen Welle 8 gegen Drehung um die eigene Achse unter Ermöglichung einer radialen Verschiebung gesichert.
[0030] Die am Meißel angreifende und in den Arbeitsorganen entstehende Axialbelastung wird von den Achslagern 5 aufgenommen. Die zwischen dem Gehäuse 1 und der Büchse 2 im Bereicn ihrer Schraubenzähne 2' befindlichen elastischen Energieabsorber 10 nehmen die Quervibration der Arbeitsorgane auf und treten zugleich als eine Dichtung auf, durch die Leckverluste der Teilchen mit Schmirgelwirkung enthaltenden Spülflüssigkeit vermindert werden. Die elastischen Energieabsorber 10 tragen dazu bei, daß die Drehbewegung der Büchse 2 konstantgehalten wird und Querbelastungen auf das Gehäuse 1, gleichmäßig übertragen werden. Die in die elastischen Energieabsorber 10 gelangendespülflüssigkeit bildet im Spalt zwischen den Ringen 11 und 12 einen Flüssigkeitsfilm, der die Reibung in den elastischen Energieabsorbern 10 vermindert und auf die Querschwingungen der Büchse 2 zusätzlich einschränkend wirkt.
[0031] Bei Verwendung von elastischen Gummi-Metall-Energieabsorbern 10 findet aufgrund der Verformung der elastischen Oberfläche des Ringes 11 zusätzlich eine Verzehrung der Schwingungsenergie der Büchse 2 statt.
[0032] Die zwischen den elastischen Energieabsorbern 10 angeordneten Labyrinthdichtungen 13 und 14 verbessern die Dichtung zwischen der Büchse 2 und dem Gehäuse 1 und verringern Leckverluste der Spülflüssigkeit.
[0034] Als Energiequelle für den Motorlauf dient der Strom einer Flüssigkeit, als welche Wasser, Tonspülung verschiedener Dichte sowie eine belüftete Flüssigkeit auftreten kann. Bei Bedarf ist der Motorbetrieb mit Druckgas möglich.
Gewerbliche Anwendbarkeit
1. Bohrlochsohlen-Schraubenmotor zum Bohrmeißelantrieb., der ein Gehäuse (1) mit in
seinem Inneren untergebrachten Arbeitsorganen enthält, von denen das eine in Gestalt
einer Büchse (2) mit inneren Schraubenzähnen (2') ausgebildet ist, welche mit einer
Ausgangswelle (4) verbunden ist, die einen Meißel trägt und im Gehäuse (1) axial drehbar
gelagert ist, während das andere Arbeitsorgan in Form einer Welle (3) ausgeführt ist,
die innerhalb der Büchse (2) radial verschiebbar mit gleichzeitiger Sicherung gegen
Drehung um die eigene Achse angeordnet und mit Schraubenzähnen (3') versehen ist,
welche mit den Zähnen (2') der Büchse (2) zusammenwirken, deren Zahl um eins die Zahl
der Zähne (3' ) der Welle (3) übersteigt, dadurch gekenn-zeichnet, daß zwischen dem
Gehäuse (1) und der Büchse (2) im Bereich der Scnraubenzähne (2 ' ) Radiallager (10)
angeordnet sind.
2. Bohrlochsohlen-Schraubenmotor nach Anspruch 1, d a-durch gekennzeichnet, daß die
Gesamtlänge der Radiallager (10) mindestens der Länge des mit den Schraubenzähnen
(2 ') versehenen Abschnittes der Büchse (2) gleich ist.
3. Bohrlochsohlen-Schraubenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
den Radiallagern (10) Labyrinthdichtungen (13, 14) anbeordnet sind.
Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.
1. Bohrlochsohlen-Schraubenmotor zum Bohrmeißelantrieb, der ein Gehäuse (1) mit in
seinem Inneren untergebrachten Arbeitsorganen enthält, von denen das eine in Gestalt
einer Büchse (2) mit inneren Schraubenzähnen (2 ') ausgebildet ist, welche mit einer
Ausgangswelle (4) verbunden ist, die einen Meißel trägt und im Gehäuse (1) axial drehbar
gelagert ist, während das andere Arbeitsorgan in Form einer Welle (3) ausgeführt ist,
die innerhalb der Büchse (2) radial verschiebbar mit gleichzeitiger Sicherung gegen
Drehung um die eigene Achse angeordnet und mit Schraubenzähnen (3' ) versehen ist,
welche mit den Zännen (2' ) der Büchse (2) zusammenwirken, deren Zahl um eins die
Zahl der Zähne (3' ) der Welle (3) übersteigt, dadurch gekenn-zeichnet, daß zwischen dem Gehäuse (1)
und der Büchse (2) im Bereich der Schraubenzähne (2') elastische Energieabsorber (10)
angeordnet sind.
2. (abgeändert) Bohrlochsohlen-Schraubenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gesamtlänge der elastischen Energieabsorber (10) mindestens gleich der Länge
des mit den Schraubenzähnen (2 ' ) versehenen Abschnittes der Büchse (2) ist.
3. (abgeändert) Bohrlochsohlen-Schraubenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den elastischen Energieabsorbern (10) Labyrinthdichtungen (13, 14) anbeordnet
sind.