РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ТУРБОБУРІВ

 

12.1 Мета і завдання

 

12.1.1 Вивчення конструкції турбобурів.

12.1.2 Розрахунок енергетичних параметрів турбіни турбобура.

Тривалість заняття – 2 години.

 

12.2 Теоретичні відомості

 

Турбобур є вибійним гідравлічним двигуном з осьовою опорою, в якому гідравлічна енергія потоку промивної рідини перетворюється в механічну роботу вала, до якого прикріплюється породоруйнівний інструмент. В якості гідравлічного двигуна в турбобурі використовується багатоступенева осьова турбіна.

В турбіні робота здійснюється головним чином за рахунок зміни кількості руху. Потік промивної рідини через бурильну колону подається в першу ступінь турбобура. В статорі першої ступені відбувається формування напрямку потоку рідини, тобто рідина, пройшовши канали статора, набуває напрямку руху на лопаті ротора під заданим кутом і здійснює силову дію на ротор, в результаті якої енергія руху рідини створює сили, що намагаються повернути ротор, жорстко зв’язаний з валом турбіни. Потік рідини з каналів ротора першої ступені поступає на лопаті статора другої ступені, де знову відбувається формування напрямку руху потоку рідини і подача її на лопаті ротора другої ступені.

На роторі другої ступені також виникає обертовий момент. В результаті рідина під тиском, що створюється поверхневим насосом, проходить всі ступені турбіни турбобура і через спеціальний канал у валі підводиться до долота. В багатоступеневих турбобурах обетрові моменти всіх ступеней сумуються на валу.

Конструкція всіх ступеней турбіни одного турбобура для більшості випадків однакова. Найбільш характерні конструктивні параметри турбіни турбобура приведені на рис. 12.1.

1 – корпус; 2 – вал; 3 – статор; 4 – ротор; 5 – регулювальне кільце

Рисунок 12.1 – Ступінь турбіни турбобура

 

Розріжемо циліндричну поверхню діаметром D по твірній і розгорнемо її на площину. На площині отримаємо профілі лопатей статора і ротора (рис.12.2 і 12.3).

Для спрощення дослідження руху рідини в ступені всі розрахунки ведуться по еквівалентній струминці, яка тече на розрахунковому діаметрі з середньою швидкістю.

α – кут нахилу середньої лінії профілю на виході статора до осі решітки;
β _1л – кут нахилу середньої лінії профілю на вході ротора до осі решітки;

β ₁ – кут між вектором швидкості і віссю решітки;

β _2л – кут нахилу середньої лінії профілю на виході ротора до осі решітки;

β ₂ – кут між вектором швидкості і віссю решітки;
d –хорда профілю;

f – прогин профілю

Рисунок 12.2 – Профілі лопатей статора і ротора

 

Рисунок 12.3 – Плани швидкостей в ступені турбіни

 

На рис. 12.4 показано характеристику турбіни.

 

Рисунок 12.4 – Характеристика турбіни

 

Взаємодія між потоком промивної рідини і лопатями виявляється в зменшенні проекції вектора кількості руху на напрям колової швидкості, що і створює момент кількості руху відносно осі обертання.

Опис процесу, що відбувається, в математичній формі був запропонований Ейлером:

,

(12.1)

де – обертовий момент, що створюється турбіною;

– витрата рідини через лопатевий апарат;

– густина робочої рідини;

– об’ємний ККД турбіни;

– відповідно проекції абсолютної швидкості входу потоку рідини в робоче колесо і виходу з нього;

– радіуси входу потоку рідини в робоче колесі і виходу з нього.

Рівняння (12.1) можна представити у вигляді:

,

(12.2)

де – напір в турбіні;

– гідравлічний ККД турбіни;

– відповідно колові швидкості на вході потоку рідини в робоче колесо і виходу з нього.

Для осьових багатоступеневих турбін (рис.12.1) і рівняння (12.1) та (12.2) матимуть вигляд:

;

(12.3)

 

,

(12.4)

де – кількість ступенів турбобура.

Часто виникає необхідність розрахунку енергетичних параметрів турбіни турбобура (кількості ступенів турбобура, перепаду тиску на турбобурі, обертового моменту на валу турбобура, частоти обертання вала турбобура). При проведенні розрахунків зазвичай є відомими витрата робочої рідини , густина рідини , ступінь реактивності турбіни , коефіцієнт циркулятивності ступені , коефіцієнт осьової швидкості , ККД турбіни і діаметр корпуса турбобура .

Коефіцієнт циркулятивності оцінює ступінь викривлення профілю турбіни і при відомих конструктивних кутах профілю обчислюється з формулою:

.

(12.5)

В турбобурах найчастіше використовують нормально-циркулятивні турбіни, для яких = 1.

Ступінь реактивності турбіни характеризує ступінь деформації потоку рідини в каналах статора та ротора. В сучасних серійних турбобурах застосовуються турбіни, в яких = 0, 5. В таких решітках профілі лопатей статора та ротора мають однакову геометрію. Коефіцієнт реактивності при відомих конструктивних кутах може бути обчислений за формулою:

(12.6)

Турбіни можуть класифікуватися також за відношенням осьової швидкості потоку рідини до колової швидкості обертання. Це відношення називається коефіцієнтом осьової швидкості (коефіцієнт витрати):

,

(12.7)

де – витрата рідини через турбіну;

– розрахунковий діаметр каналів турбіни турбобура;

– радіальна висота лопаті;

– частота обертання ротора.

Коефіцієнт осьової швидкості визначає розрахункову частоту обертання турбіни. Для турбін турбобурів коефіцієнт осьової швидкості рівний 0, 7…1, 3. За коефіцієнтом осьової швидкості решітки турбіни діляться на два типи: 1 – високошвидкісні (малолітражні); 2 – низькошвидкісні (багатолітражні).

Об’ємний ККД ступені турбіни для кільцевого зазору в межах 2 мм вибирається в межах =0, 92…0, 95.

Внутрішній ККД ступені турбіни знаходиться в межах = 0, 62…0, 68.

Механічний ККД, що враховує втрати на тертя в радіальних опорах і на обертання ротора в рідині коливається в межах = 0, 93…0, 96.

Загальний ККД турбіни визначається за формулою:

.

(12.8)

і в сучасних осьових турбінах що застосовуються в турбобурах, знаходиться в межах = 0, 4…0, 7.

Коефіцієнт звуження потоку лопатями є відношенням частини периметру каналу, який займає потік, до всього периметру. Тому, іноді його ще називають коефіцієнтом використання периметру. Величина коефіцієнту звуження може бути одержана для вихідної частини решітки за формулою:

,

(12.9)

де – товщина профілю лопаті;

– абсолютний крок решітки.

 

12.3 Порядок виконання роботи

 

12.3.1 Розрахунковий діаметр турбіни і радіальна довжина лопаті:

,

(12.10)

де – зовнішній діаметр проточного каналу турбіни, м;

– внутрішній діаметр проточного каналу турбіни, м.

Зовнішній діаметр проточного каналу турбіни:

,

(12.11)

де – діаметр корпуса турбобура, м;

– товщина стінок корпуса і обода статора, м.

Внутрішній діаметр проточного каналу турбіни:

,

(12.12)

де – витрата рідини, м³/с;

– об’ємний ККД, = 0, 94;

– коефіцієнт звуження;

– осьова складова швидкості потоку в турбіні, м/с.

Радіальна довжина лопаті при відомих діаметральних розмірах проточної частини турбіни визначається за формулою:

,

(12.13)

12.3.2 Розрахунок осьової висоти профілю лопаті.

,

(12.14)

де – відносна величина формуючої ділянки;

– вістань від верхньої кромки решітки до центра кола, що утворює вигнену спинку лопаті для профілей, побудованих за дугами кіл, м;

– осьова висота профілю лопаті без формуючої ділянки, м.

,

(12.15)

де – радіус кола, що утворює вигнену (випуклу) спинку лопаті, м;

– крок решітки профілю, м;

– товщина лопаті, м;

– кут виходу потоку з каналу решітки, град.

Гідромеханічні кути визначаються за формулою:

.

(12.16)

12.3.3 Розрахунок кроку решітки і числа лопатей турбіни.

Оптимальне значення кроку решітки обчислюється за формулою:

,

(12.17)

де – коефіцієнт навантаження, = 0, 9…1, 1.

Число лопатей турбіни:

.

(12.18)

Одержану величину округлюють до найближчого цілого числа. Після цього крок решітки профілів перераховують за тією ж формулою.

12.3.4 Розрахунок параметрів ступені на оптимальному режимі.

Для оптимального режиму ():

.

(12.19)

Максимальна частота обертання вала визначається з умови:

.

(12.20)

Гальмівний момент:

,

(12.21)

або

,

(12.22)

де – механічний ККД турбіни, =0, 95.

В оптимальному режимі обертовий момент рівний:

.

(12.23)

Максимальна потужність ступені турбіни, виходячи з експериментальних параметрів турбіни складає:

.

(12.24)

Перепад тиску турбіни:

.

(12.25)

12.3.5Визначаємо число ступеней турбіни:

,

(12.26)

де – необхідний обертовий момент;

– обертовий момент однієї ступені.

Якщо задана величина перепаду тиску в багатоступінчастій турбіні, то допустиме число ступеней перевіряється за допомогою виразом:

.

(12.27)

12.3.6 Побудова теоретичної характеристики турбіни.

Характеристики багатоступінчатої турбіни будується за розрахунковими параметрами однієї ступені. Для побудови беруться екстремальні параметри турбіни.

Графік обертових моментів – пряма, що перетинає вісь абцис в точці , а вісь ординат – в точці . Графік потужності будується за ординатами, що визна-чаються, виходячи із залежності:

.

(12.28)

 

.

(12.29)

Графік залежності ККД від навантаження турбіни будується у відповідності з виразом:

.

(12.30)

– частота обертання вала турбобура (для виконання роботи задаємось 6…8 точками (значення в межах від 0 до n_max).

 

Таблиця 12.1 – Вихідні дані для виконання роботи

Варіанти	Параметри
Діаметр турбобура DТ, мм	Витрата рідини Q, м3/с	Гальмівний момент М, кН·м	Перепад тиску, МПа
Робочий тиск, МПа	Максимальний тиск, МПа
		0, 075	0.8	5, 4	6, 1
		0, 045	0.9	5, 5	6, 3
		0, 06	1, 1	5, 5	6, 2
		0, 075		2, 9	3, 4
		0, 073	0, 9	3, 9	4, 5
		0, 06	0, 5	2, 9	3, 5
		0, 058	0, 8	6, 9	7, 3
		0, 056	0, 7	4, 1	4, 8
		0, 059	0, 7	2, 9	3, 4
		0, 045	0, 6	3, 5	4, 8

 

Таблиця 12.2 – Вихідні дані для виконання роботи

Варіанти	Параметри
, мм	, м/с	, мм	, мм	, мм	, мм		Конструктивні кути
		4, 5	1, 5	8, 0			0, 9
		4, 2		8, 0			1, 0
		4, 7	1, 5	7, 5			0.95
		3, 8	1, 5	7, 5			0, 95
		5, 3	1, 3	7, 5			0.96
		3, 8	1, 5	7, 5			0, 98
		4, 2	2, 5	6, 8			0.98
		4, 0	2, 5	7, 1			0.9
		4, 7		6, 9			1, 02
		4, 9	2, 5	6, 1			0, 92

 

12.4 Контрольні запитання

 

12.4.1 Для чого призначений турбобур?

12.4.2 За рахунок чого здійснюється робота в турбіні турбобура?

12.4.3 Якими основними коефіцієнтами характеризуються турбіни турбобурів?

12.4.4 Що таке полігон швидкостей для турбіни турбобура?

12.4.5 Які основні параметри на гальмівному режимі турбобура?

12.4.6 Які основні параметри на холостому режимі роботи турбобура?

12.4.7 Що таке оптимальний режим роботи турбобура?

12.4.8 Як визначається ККД турбобура?