7.3 Турбина турбобура
Турбобур - гидравлический двигатель, который предназначен для привода в действие долота, разрушающего породу на забое скважин.
Технологические условия бурения определяют требования, предъявляемые к турбобуру:
1 Ограниченные радиальные размеры турбин. Турбобур размещается в скважинах диаметром 100200мм.
2 Большие крутящие моменты. Для разрушения пород требуется 2000-4000 нм.
Ограниченное число оборотов турбины. Долото эффективно работает при числах оборотов не более 500-700 в мин.
4 Возможность работы при подаче абразивной жидкости. К турбобуру подается буровой раствор.
5 Работа турбин происходит при переменных нагрузках.
Наиболее распространенная схема турбобура – это многоступенчатая осевая турбина (до 350 ступеней).
Рассмотрим одну ступень турбобура (рисунок 7.7)
Рисунок 7.7
Одна
ступень турбобура (рисунок 7.7) состоит
из двух лопаточных
систем - статора
(неподвижная часть) и ротора, вращающегося
вместе с
валом. Основные размеры
ступени D
- средний диаметр
турбины,
-
длина
лопатки по радиусу.
Так
как турбины турбобуров осевые, то, если
рассечь ступень
цилиндрической
поверхностью радиусом
относительно оси турбины
по лопаткам
и развернуть сечение на плоскость,
получается плоская
прямая решетка
профилей, как показано на рисунке 7.8.
Рисунок 7.8
Решетка
состоит из z
- профилей по числу
лопаток. Каждый профиль имеет среднюю
линию, происходящую через центры
вписанных в профиль окружностей и хорду
,
соединяющую крайние
точки профиля по вогнутой стороне.
Линия,
соединяющая одинаковые точки профилей
на входе и выходе потока, называется
фронтом решетки (ось решетки). Расстояние
по фронту между соответствующими
точками соседних профилей называется
шагом решетки
(z
- число профилей,
-
радиус по фронту - радиус развернутой
цилиндрической поверхности). Расстояние
по нормали между фронтами (осевая высота
профиля) носит название «ширина решеткиS».
Если обозначить элементы
статора индексом «С», а ротора - «Р», то
ширина профилей ступени турбины
турбобура равна
где
-
осевой зазор после
статора «С» и ротора «Р».
Углы
профиля - это углы между касательными
к средней линии и фронтом решетки; они
обозначаются
,
для ротора и
,
- для статора.
7.4 Движение жидкости в каналах турбин
Так как в турбины турбобура жидкость поступает от бурового поршневого насоса, то за счет неравномерности работы насоса и переменного сечения каналов турбины распределение скоростей в потоке жидкости носит сложный характер.
Представим
себе, что на среднем диаметре D
имеется струйка потока,
скорости которой осреднены во времени
и пространстве, струйка обтекает лопатки
турбины без удара, тогда углы потока
будут соответствовать:
,
и т.д.
Из параллелограммов скоростей (рисунок 8.8), построенных на решетках профилей статора и ротора, видим, что поток, входящий в статор, увеличивает свою скорость от Со до С1 при входе в ротор.
В роторе поток оказывает воздействие на лопатки и приобретает относительное движение со скоростью
где U - окружная скорость, зависящая от характера обтекания лопаток ротора.
На выходе абсолютная скорость потока равна
.
Если
направление потока совпадает с
направлением средней линии профиля
ротора, то движение носит безударный
характер - режим безударный
;
при отклонении от этого направления
происходит удар, возникают завихрения
потока (рисунок 8.9).
Рисунок 7.9
Скорость вращения ротора зависит от количества прокачиваемой жидкости и живого сечения каналов.
Определяющей скоростью движения жидкости в каналах турбин турбобура является осевая составляющая абсолютной скорости - осевая
скорость
.
На
рисунке 7.10 представлен вид турбины, из
которого видно, что
(без учета толщины
лопаток). D
и
-
средний диаметр и радиальная ширина
каналов.
Рисунок 7.10.