11.4 Контрольні запитання

11.4.1 Поясніть принцип дії гідродинамічного трансформатора. Назвіть основні його вузли та їх призначення.

11.4.2 Назвіть переваги гідродинамічних трансформаторів перед іншими видами передач.

11.4.3 Назвіть галузь застосування гідродинамічних передач.

11.4.4 Дайте визначення основних параметрів гідродинамічного трансформатора.

11.4.5 Поясніть характеристику комплексного гідротрансформатора.

Практичне заняття № 12 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;

β₁ – кут між вектором швидкості і віссю решітки;

β_2л – кут нахилу середньої лінії профілю на виході ротора до осі решітки;

β₂ – 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.