15.1. Турбины современных турбобуров

Турбина турбобура представляет собой преобразователь гидравлической энергии потока жидкости в механическую энергию вращения вала.

Турбина современного турбобура - многоступенчатая, осевого типа и состоит из систем статоров и роторов. Как правило, система статоров связана с корпусом, а система роторов - с валом турбобура (рис. 15.1).

При постоянном значении расхода бурового раствора через турбину развиваемый ею крутящий момент определяется по формуле Эйлера

М = Q ρ r (c_1u – c_2u) z, (15.1)

где Q - расход жидкости; ρ - плотность жидкости; r - средний радиус турбины; с_1u, с_2u - проекции абсолютной скорости потока жидкости, протекающего соответственно через статор и ротор на направление окружной скорости турбины; z - число ступеней турбины.

Эффективный перепад давления на турбине p_э определяется по формуле:

p_{э =} ρ u² z, (15.2.)

где и - окружная скорость турбины на среднем диаметре.

Развиваемый турбиной крутящий момент зависит от режима ее работы, т.е. от частоты вращения ротора турбины. Для большинства современных турбин эта зависимость линейна и определяется уравнением:

M = (1- n\n_х )М_{т ,} (15.3.)

где М_т - тормозной (предельный) крутящий момент; n - частота вращения ротора; n_х - частота вращения ротора на холостом режиме (предельная).

Совокупность зависимостей крутящего момента, перепада давления, мощности и КПД от частоты вращения называется энергетической характеристикой турбины. Энергетическая характеристика представлена на рис. 15.2. Как видно из графиков, характеристика турбины турбобура - сериесная. Однако это не означает, что турбобур может работать на всех режимах - от холостого до тормозного. Известно, что при увеличении осевой нагрузки частота вращения вала турбобура вначале уменьшается, затем турбобур начинает неустойчиво работать, а потом резко останавливается - "срывается". Частота вращения при этом, как правило, бывает не ниже 0,4 n_х.

Сила, действующая на лопатку ротора Сила, действующая на лопатку статора

Рис. 15.1. Принцип действия турбины турбобура (пара «статор – ротор»): 1, 5 - наружный обод ротора и статора; 2, 3 - лопатка ротора и статора; 4, 6 - внутренний обод статора и ротора.

"Срыв" турбобура объясняется многими факторами, основными из которых являются нелинейный рост момента сопротивления на долоте и в пяте турбобура при увеличении осевой нагрузки и снижении частоты вращения, низкочастотные колебания момента сопротивления из-за вибраций и неравномерностеи подачи бурового инструмента, перемежаемость разбуриваемых горных пород по твердости. Все эти факторы приводят к тому, что устойчивая работа турбобура возможна только с определенным, как правило, не менее чем двукратным запасом крутящего момента, т.е. на режимах, располагающихся правее от режима максимальной мощности.

Эти режимы в большинстве случаев характеризуются также и максимальным значением механической скорости проходки. Поэтому условно режим максимальной мощности можно считать рабочим режимом турбобура.

Следует отметить, что:

- чем глубже забой скважины, чем больше искривлен ее ствол;

- чем более моментоемкое долото используется при бурении, чем выше вибрации бурильного инструмента,

п_х п

Рис. 15.2. Энергетическая характеристика турбины турбобура:

М - крутящий момент; М_т - тормозной момент; N - мощность; N₃ - максимальная мощность; р - перепад давления; п - частота вращения; п_э, п_х, п₀ - частота вращения соответственно на экстремальном, холостом и оптимальном режимах; η - КПД; η_о - максимальный КПД

- чем больше перемежаемость горных пород, тем ближе к холостому режиму должен располагаться рекомендуемый рабочий режим турбобура и тем, следовательно, ниже должна быть частота вращения холостого хода.

Для расчета характеристики турбины могут использоваться преобразованные формулы, определяющие крутящий момент и перепад давления на режиме максимальной мощности:

M = 2 π Q ρ r² n z, (15.4)

p = 4 π² ρ r² nz\η (15.5)

где р - перепад давления на турбине; η - КПД.

При пересчете параметров характеристики турбины на другие значения расхода, плотности жидкости и числа ее ступеней следует пользоваться выражениями

(15.6)

где N - мощность турбины.

Турбины турбобуров изготавливаются из малолегированной стали преимущественно цельнолитыми в земляные формы и составными, когда лопаточный венец выплавляется точным литьем по моделям. Выпускаются также лопаточные венцы, изготовленные из пластмассы. Стойкость пластмассовых венцов, как правило, намного ниже стойкости стальных.

Характеристики турбин определяются экспериментально при испытаниях на специальном турбинном стенде. Основные параметры стендовых энергетических характеристик серийных и некоторых опытных турбин турбобуров, выпускаемых промышленностью, приводятся во всех специализированных справочниках для технологов.