Лекция № 2

1. Динамические гидравлические машины

К ним относятся: турбобуры, центробежные, вихревые, осевые насосы, гидродинамические муфты, турботрансформаторы и др.

1.1. Турбобуры

1). Назначение и конструкция

Предназначены для вращения долота при бурении скважины без вращения бурильной колонны. Представляют собой многоступенчатую (до 100 ступеней) гидромашину (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Односекционный турбобур:

1, 22 – переводники; 2 – втулка корпуса; 3 – корпус; 4 – контргайка;

5 – колпак; 6 – роторная гайка; 7, 10 – диски пяты; 8 – подпятник;

9 – кольцо пяты; 11 – регулировочное кольцо;

12, 17 – уплотнительные кольца; 13 – статор; 14 – ротор; 15 – втулка средней опоры; 16 – средняя опора; 18 – упор; 19 – втулка нижней опоры;

20 – ниппель; 21 – вал

Каждая ступень турбины состоит из двух лопаточных систем: статора и ротора. Буровой раствор проходит через каждую ступень и создаёт крутящий момент ротору относительно статора. Крутящие моменты ступеней складываются, создавая общий крутящий момент турбобура.

2). Кинематика движения жидкости в турбобуре

Разрез статора и ротора представлен на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Разрез ротора и статора:

1 – вал; 2 – ротор; 3 – лопасти; 4 – статор; 5 – корпус

При конструировании турбобуров рассматривается только безударный режим входа жидкости. Треугольники скоростей на входе и выходе из турбины представлены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Треугольники скоростей при безударном режиме

Вектор относительной скорости обтекания лопаток определяется как

, (2.1)

где с – абсолютная скорость жидкости;

u – окружная скорость жидкости.

При безударном режиме: α₁ = β₂; α₂ = β₁; c₁ = w₂; c₂ = w₁. Безударные входы в ротор и статор достигаются при равенстве

. (2.2)

Осевая составляющая скорости определяется по формуле

, (2.3)

где Q – расход через турбину;

F – площадь кольцевого сечения;

, (2.4)

D – средний диаметр,

ι – ширина проходного канала.

3). Основные параметры турбобуров определяются по формулам:

а) скорость вращения вала, об/мин

(2.5)

где η_о – объёмный к.п.д.,

χ – коэффициент стеснения проточной части,

l – ширина канала;

Q – подача бурового насоса.

б) напор турбобура, м

, (2.6)

где к – количество ступеней турбины,

g – ускорение свободного падения,

η_г – гидравлический к.п.д.;

D – средний диаметр канала.

в) мощность турбобура, Вт

, (2.7)

где η_м – механический к.п.д.;

ρ – плотность жидкости.

г) крутящий момент турбобура, Н·м

. (2.8)

4). Кинематические коэффициенты турбин определяются по формулам:

а) коэффициент осевой скорости

, (2.9)

причём, чем > σ_z, тем < скорости движения жидкости;

б) коэффициент активности турбин

, (2.10)

причём, в основном используются турбины с σ_а = 0,5;

при σ_а > 0,5 турбины активные, при σ_а < 0,5 – реактивные;

в) коэффициент циркуляции

, (2.11)

где ω – угловая скорость.

1.2. Центробежные насосы

Центробежные насосы относятся к динамическим гидромашинам. Конструктивная схема 1-о ступенчатого центробежного насоса показана на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Схема 1-о ступенчатого центробежного насоса:

1 – вход жидкости; 2 – всасывающий патрубок; 3 – корпус насоса;

4 – рабочее колесо; 5 – сальник вала; 6 – вал; 7 – лопасти; 8 – напорный патрубок; 9 – выход жидкости

Центробежные насосы не обладают способностью самовсасывания, поэтому перед пуском их следует заполнять жидкостью. Они весьма разнообразны по конструктивному исполнению и назначению.

Абсолютная скорость движения в векторной форме имеет вид

(2.12)

где – абсолютная скорость жидкости относительно корпуса насоса, м/с;

- относительная скорость движения жидкости, м/с;

- переносная (окружная) скорость движения жидкости, м/с.

Переносная скорость определяется по формуле

(2.13)

где  - угловая скорость вращения вала, рад;

r – расстояние от оси вала до частицы жидкости, м;

n – скорость вращения вала, об/мин.

Относительная скорость w определяется по формуле

(2.14)

где Q_к – объём жидкости, проходящей через каналы рабочего колеса, м³/с;

F – площадь проходного сечения каналов рабочего колеса, м².

Основные параметры рабочего колеса, планы и треугольники скоростей приведены на рис. 2.5.

Меридиальные составляющие абсолютных скоростей с_1m и с_2m определяются по формулам

(2.15)

, (2.16)

где F₁ и F₂ – площади проходного сечения канала рабочего колеса соответственно на входе и выходе из него, м².

(2.17)

(2.18)

где D₁, D₂ – соответственно внутренний и наружный диаметры рабочего колеса;

b₁, b₂ – ширина канала соответственно на входе и выходе;

₂ – толщина лопасти по срезу;

z – число лопастей.

Рис.2.5. Скорости движения жидкости в центробежном насосе