3. Гидравлические забойные двигатели.

В настоящее время заводами России выпускаются четыре вида гидравлических забойных двигателей:

- турбинные двигатели (турбобуры) различного конструктивного исполнения (Т);

- винтовые двигатели типа Д (ВЗД);

- турбинно-винтовые двигатели (ТВЗД);

- реактивно-турбинные буры и роторно-турбинные буры (РТБ), комплектуемые серийными турбинными или винтовыми двигателями.

3.1. Турбобуры. Общие сведения.

Турбобур представляет собой гидравлическую машину, приводимую в движение потоком промывочной жидкости. Турбина - многоступенчатая, осевого типа каждая ступень которой состоит из двух лопаточных систем: неподвижной 2 – статор и вращающейся 1 – ротор. Многоступенчатость турбины обусловлена необходимостью получения большого крутящего момента при ограниченном диаметре и расходе промывочной жидкости.

а)

б)

Рис. 1. Ступень турбины

и план скоростей.

а) – общий вид (1- ротор; 2 – статор);

б) – вид в разрезе;в) – план скоростей

Ступени турбин гидравлических забойных двигателей изготавливают цельнолитыми из стали с отливкой в землю, с отливкой методом точного литья (ТЛ) и составными из стали с вставными пластмассовыми лопаточными решётками.

Жидкость в ступенях турбины турбобура, как в статоре, так и в роторе движется вдоль оси вращения ротора турбины. Поэтому такие турбины относятся к осевым прямоточным турбинам.

Осевые и радиальные опоры вала выполняются в виде опор скольжения (резинометаллического типа) и опор качения с уплотнениями и без них – проточные.

Большое число ступеней турбины при её малом диаметре (43 – 240 мм), малом расходе жидкости (до 50 л/с) и частоте вращения вала 300 – 900 об/мин. позволяет получить довольно высокий (до 4 кН·м) крутящий момент. В разных моделях турбобуров применяется от 100 до 350 ступеней. Например, Т12М3К – содержит 215 ступеней.

При большом числе ступеней значительно увеличивается длина турбобура. Поэтому турбобуры для удобства изготовления и монтажа выполняют в виде отдельных секций (две – три).

3.2. Характеристика решетки турбины. Планы скоростей.

Решетку турбины принято характеризовать следующими конструктивными углами (см. рис. 1):

,-конструктивные углы лопаток статора на выходе и входе соответственно;

-конструктивные углы лопаток ротора на входе и выходе.

Движение жидкости в межлопаточных каналах представляют следующими векторами:

c₁,c₂ - абсолютной скорости на входе в ротор и статор соответственно;

w₁,w₂ - относительной скорости на входе в ротор и входе в статор соответственно;

u_б -окружной скорости ротора при «безударном» режиме;

c_z - осевая скорость жидкости в решётке турбины.

Осевую скорость можно вычислить следующим образом:

c_z=, (1)

где Q – расход жидкости через ступень турбины; η_о – объемный к.п.д.; χ – коэффициент стеснения потока; D_ср – средний диаметр проточной части; l – радиальная длина лопатки.

По величине конструктивных углов ,,и осевой скоростиc_z представляется возможным построить план скоростей, характеризующий движение жидкости в соответствующих сечениях ступени турбины и найти окружную скорость u_б ротора при «безударном» режиме. Кроме того, представляется возможным найти окружные составляющие абсолютных скоростей на входе и выходе в роторе с_1u и c_2u и угловую скорость ω ротора (дать пояснение сказанному через построение планов скоростей).

Построение планов скоростей движения жидкости ведется для среднего диаметра, величину которого вычисляют из условия равенства площадей проточной части турбинной решетки расположенных по обе стороны этого диаметра, т.е.

, (2)

где D₂ и D₁ – соответственно внешний и внутренний диаметр проточной части ротора (или статора).

Из уравнения (2) определим величину среднего диаметра:

D_ср = .

Из плана скоростей (рис. 1.) находим окружную скорость u_б, при которой жидкость входит по касательной к средней линии лопатки, т.е. безударно:

. (3)

Выразим безударную окружную скорость через другие параметры:

u_б=илиu_б= (прис^-1). (4)

Из уравнения (4) находим безударное число оборотов

n_б=. (5)

Из уравнения (4) следует, что безударный вход жидкости на лопатки происходит только на среднем диаметре; при других значениях диаметра проточной части вход жидкости будет сопровождаться ударом, т.к. лопатки ступеней турбин турбобуров по длине имеют постоянные конструктивные углы α и β. Поэтому за безударный режим работы турбины принимают тот, при котором потери на удар минимальны. При записи слово «безударный» берут в кавычки.