10.2. Многоступенчатый турбобур

многоступенчатый бур

При разработке многоступенчатого турбобура для бурения была разрешена сложная техническая задача сконструировать мощный гидравлический двигатель малого диаметра с низким числом оборотов, развивающий на валу мощность 100-200 л. с, и использовать для этого поток глинистого раствора высокого напора при сравнительно небольшом расходе.

Современный двигатель турбобура состоит из большого числа одинаковых ступеней, причем каждая ступень включает направляющий аппарат и рабочее колесо. В направляющих аппаратах жидкость получает определенную скорость, с которой она поступает на лопатки рабочего колеса.

Турбина, которая применяется в современных многоступенчатых турбобурах, является осевой или аксиальной со сравнительно небольшой шириной рабочих каналов в радиальном направлении. Это обстоятельство дает возможность с достаточной точностью сделать гидравлический расчет турбины, пользуясь величиной средней скорости в каналах.

Для гидравлического расчета турбины, т. е. направляющего и рабочего колес, используют два уравнения:

а) основное уравнение турбины русского акад. Эйлера;

б) уравнение неразрывности, основанное на законе сохранения энергии великого русского ученого М. В. Ломоносова.

Первое слагаемое есть напор, возникающий вследствие перехода частиц жидкости с меньшего радиуса вращения на больший. В результате этого увеличивается центробежная сила каждого килограмма вращающейся жидкости и, следовательно, увеличивается давление, оказываемое этим количеством жидкости на соседнюю жидкость.

Очевидно, первое слагаемое является всегда положительной величиной. Второе слагаемое есть напор, возникающий в результате изменения скорости течения жидкости в междулопаточном канале колеса из-за изменения его сечения.

Из классической гидравлики известно, что изменение скорости движения жидкости вызывает изменение давления в ней. Если живое сечение канала увеличивается, то будет повышаться и давление. В противном случае рассматриваемая причина уменьшает давление.

Вполне очевидно, второе слагаемое может быть положительным и отрицательным. Для осевых турбин рассматриваемого типа второе слагаемое равно нулю.

Третье слагаемое есть напор, соответствующий изменению абсолютной скорости жидкости при переходе ее с внутренней на внешнюю окружность колеса. В общем случае это слагаемое, по своему существу характеризующее изменение кинетической энергии движущейся жидкости, может иметь любой знак.

Из сказанного следует, что первое слагаемое (плюс второе) означает приращение потенциальной энергии 1 кг жидкости в колесе, видимо, проявляющейся в приращении ее давления. Отсюда это слагаемое можно назвать статическим напором.

Схематический разрез направляющего и рабочего колес турбины и изображены треугольники скоростей движения глинистого раствора при входе в каналы рабочего колеса и при выходе из него.

Эти треугольники скоростей показывают, что абсолютная скорость от жидкости, попадающей из направляющего колеса в каналы рабочего колеса, разлагается на две скорости: окружную w, заставляющую вращаться колесо, и относительную, с которой глинистый раствор продолжает двигаться по лопаткам колеса. Из второго треугольника (нижнего) можно определить скорость выхода глинистого раствора из канала рабочего колеса. Здесь w2 - относительная скорость движения жидкости по каналам рабочего колеса в момент выхода жидкости из него и - абсолютная скорость выхода жидкости из рабочего колеса.

Для составления уравнения расходов жидкости в колесе нужно определить для любого из выбранных сечений составляющую скорости, направленную по нормали к этому сечению. Возьмем осевые составляющие абсолютных скоростей, так как осевые составляющие абсолютных и относительных скоростей в данном случае равны.

Уравнение дает возможность определить размеры каналов по заданным значениям скоростей движения жидкости и произвести гидравлический расчет турбины, пользуясь уравнением Эйлера.

При нормальном режиме осуществляется «безударный вход» глинистого раствора на лопатки колеса, т. е. при входе жидкости не происходит внезапного изменения скорости, связанного с потерей энергии на удар.

Нормальному режиму работы турбины соответствует вполне определенный момент ее на валу. Всякое изменение нагрузки приводит к изменению угловой скорости колеса и изменению режима работы турбины вплоть до ее полной остановки.

В ныне применяемом турбобуре используются реактивные турбины с коэффициентом активности 0,5, где лопатки рабочего колеса представляют зеркальное отображение лопаток направляющего колеса, но направленные в обратную сторону.

Это обстоятельство ставит лопатки направляющего и рабочего колес в одинаковые условия с точки зрения износа их рабочим потоком глинистого раствора. Действительно, при этом напор, теряемый в направляющем колесе, равняется напору, теряемому в рабочем колесе, т. е.

Треугольники скоростей для нормального режима работы такой турбины. При изменении режима треугольники скоростей сохраняют углы и изменяют величины сторон. В этом случае все величины, характеризующие режим турбины, изменяются в зависимости от расхода жидкости. Число оборотов шпинделя долота пропорционально расходу. Момент на валу пропорционален квадрату расхода. Мощность пропорциональна кубу расхода.

В настоящее время стали снова возвращаться к использованию реактивных турбин, где с одного колеса можно снять большую мощность. Тогда турбобур при одной и той же мощности будет иметь меньше колес, будет экономичнее и более устойчив в работе.

Ввиду большого числа подлежащих определению величин и некоторой произвольности в выборе порядка их определения расчет турбины можно производить различными способами. Ниже приводим одну из возможных схем расчета.

Число лопаток и высоту колеса выбирают на основании принятого профиля. Число лопаток выбирают в пределах от 40 до 60 при высоте колеса Л, равной 25 мм.

Турбобур был создан для решения задачи безаварийного и скоростного бурения на больших глубинах. Для этого необходим такой механизм, который бы обладал большим моментом при сравнительно малом расходе жидкости и постоянством к. п. д.

В результате больших экспериментальных работ удалось показать, что увеличение эффективности турбинного колеса (к. п. д.) может быть достигнуто на основе следующих принципов построения многоступенчатых турбин (в отличие от существующих):

а) гидродинамические нагрузки направляющего и рабочего колес неодинаковы;

б) профили лопаток направляющего и рабочего колес не могут быть одинаковыми и не могут служить зеркальным отображением один другого;

в) весь перепад давления одной ступени должен использоваться только в направляющем колесе;

г) конструкция рабочего колеса строится со степенью реакции, равной нулю (вместо 0,5 у обычного турбобура);

д) принцип действия турбины - активный;

е) для увеличения окружного усилия на колесе угол поворота струи в рабочем колесе осуществляется в пределах 100°-110°;

ж) наивыгоднейшее соотношение абсолютной скорости выхода из статора и окружной скорости на рабочем колесе

з) наивыгоднейшая высота турбинного колеса устанавливается путем определения наименьшей суммы потерь в колесе от трения в канале и от поворота струи.

Понравилась эта статья? Поделитесь ею!