4.7 Характеристика турбіни
Під
характеристикою турбіни турбобура
розуміють залежність її потужності
,
моменту
,
коефіцієнта корисної дії
та перепаду тиску
від частоти обертання
при заданій витраті перекачуваної через
неї промивальної рідини
.
Зображується характеристика турбіни у вигляді кривих, побудованих у прямокутній системі координат за даними стендових випробувань декількох ступеней турбіни або зібраного турбобура (рис.4.9).
Залежності
та
будують за результатами стендових
випробувань. При цьому виходять із того,
що
і
пропорціональні числу ступеней і густині
рідини.
Дві інші
залежності (тобто
і
)
будують за першими двома, використовуючи
залежності
;
.
Стендові
дослідження турбобура показали, що
залежність моменту від частоти майже
прямолінійна. Значить, чим більша частота
обертання вала, тим менший обертовий
момент і навпаки. У зв’язку з цим
розрізняють два режими роботи турбіни:
гальмівний, при якому
,
а обертовий момент досягає максимального
значення (
)
і холостий, коли частота обертання
досягає максимального значення (
),
.
Виходячи з цього, можна записати
,
(4.29)
Рисунок 4.9 – Характеристика турбіни
звідси
,
(4.30)
де
– гальмівний момент;
– частота
обертання вала турбіни при холостому
режимі.
Корисна потужність турбіни
,
(4.31)
де 
.
Тоді
.
4.32)
Потужність,
створювана турбіною при постійній
витраті рідини, пропорціональна квадрату
частоти обертання вала і графічно
зображається квадратичною параболою,
яка перетинає вісь абсцис в точках
і
.
Максимум потужності визначається з виразу
.
(4.33)
Звідси
.
При маємо максимальне значення потужності.
.
(4.34)
Отримані залежності (4.33) і (4.34) справедливі для турбін, які мають коефіцієнт циркулятивності .
Підведена до турбіни потужність дорівнює
.
(4.35)
Тоді ККД буде
,
(4.36)
тобто
ККД турбіни при різних частотах обертання
вала (
)
змінюється так, як і потужність, а
максимальні значення
і
досягаються при однакових
.
Залежно від форми лопатей значення
дещо змінюється, що призводить до
неспівпадання максимумів
і
.
Режим, при якому потужність турбіни
досягає максимального значення,
називається екстремальним або ефективним,
а той, при якому ККД досягає максимального
значення – оптимальним.
Екстремальний режим роботи відмічається в точці, коли частота обертання вала турбобура досягає половини від частоти обертання холостого ходу.
При роботі на оптимальному режимі втрати тиску на подолання гідравлічних опорів у турбіні мінімальні. Турбобур найстійкіше працює на екстремальному режимі, при якому невелика зміна осьового навантаження на долото суттєво не змінює частоту його обертання. Профіль лопатей турбіни вибирають так, щоб перепад тиску на турбіні мало змінювався при зменшені або збільшенні обертання і ККД досягав максимуму при
.
У наш
час випускають турбобури з так званою
падаючою лінією тиску. У них перепад
тиску залежить від частоти обертання
вала і при зменшенні її від
до нуля перепад тиску знижується
приблизно в два рази. Це дозволяє
покращити в цілому робочу характеристику
турбіни – підвищити стійкість її роботи
при
.
Із зміною кількості і якості промивальної рідини, що перекачується через турбіну, змінюються її енергетичні параметри. П. П. Шумілов встановив такі залежності впливу кількості промивальної рідини на показники роботи турбін
; 
;
; 
.
(4.37)
Ефективність роботи турбіни в значній мірі залежить від кількості перекачуваної рідини. Проте збільшення обмежується технічними можливостями бурових насосів і допустимим тиском у циркуляційній системі. Необхідно врахувати, що основні параметри характеристики турбіни змінюються пропорціонально густині промивальної рідини
.
(4.38)
Параметри
характеристики турбіни можна змінювати
із збільшенням або зменшенням кількості
ступеней
.
При одній і тій же витраті промивальної
рідини
зростають пропорціонально кількості
ступеней турбіни, а частота обертання
турбіни і число ступеней
зв’язані таким співвідношенням
.
(4.39)
Так, наприклад, при збільшенні кількості ступеней в чотири рази, частота обертання ротора зменшиться у два рази.