Нурутдинов Р.Г. Гидравлические машины. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

На рисунке 8.3 изображена гидравлическая турбина с внутренним подводом

жидкости - центробежная турбина Сафонова. Она имеет статор 1, ротор 2, вал 3 и

подводящий канал 4.

Радиально-осевые и осевые турбины представлены на рисунке 8.4 и 8.5, они имеют

статор 1, ротор 2 и вал 3.

Рисунок 8.4 Рисунок 8.5

Радиально-осевые турбины обеспечивают изменение направления

потока в роторе турбины с радиального на осевое. В осевых турбинах ротор

имеет лопасти, направляющие поток параллельно оси вала.

Рисунок 8.6

Тангенциальная турбина Пелтона (рисунок 8.6) имеет ротор с

ковшами 1, сопло 2, представляющие направляющие аппарат, вал 3, с которого снимается

мощность.

2 По положению в жидкости турбины делят на погружные и непогружные. Все

турбины работают погруженные в жидкость, за исключением тангенциальных.

3 По характеру преобразования энергии турбины бывают активные

и реактивные.

Активной турбиной называется турбина, в которой при постоянном

давлении (атмосферном) происходит преобразование кинетической

энергии в механическую вращения ротора.

Если составить уравнения удельной энергии при входе и выходе потока жидкости из

рабочего колеса (ротора), то получим:

на входе:

111





;

на выходе:

222





Напор, срабатываемый в турбине составит Н=Н1-Н2. Следовательно,

гидравлическая энергия, преобразуемая в турбине в механическую, состоит из удельной

потенциальной энергии









и кинетической:

ДИН







Для активной турбины (р = const) удельная потенциальная энергия равна нулю, т.е.

срабатываемый напор представляет удельную кинетическую энергию

Н=Н

ДИН.

Реактивные двигатели - это турбины, в которых давление на входе р1 больше

давления на выходе р2, т.е. уменьшение давления вызывает ускорение движения потока, что

приведет к появлению реактивного воздействия потока на лопасти, приводя во вращение вал

турбины.

4 По числу ступеней гидравлические турбины бывают:

одноступенчатые (одна ступень состоит из ротора и статора) и

многоступенчатая, рабочая жидкость движется последовательно через ряд

ступеней.

8.3 Турбина турбобура

Турбобур - гидравлический двигатель, который предназначен для привода в

действие долота, разрушающего породу на забое скважин.

Технологические условия бурения определяют требования,

предъявляемые к турбобуру:

1 Ограниченные радиальные размеры турбин. Турбобур размещается в скважинах

диаметром 100200мм.

2 Большие крутящие моменты. Для разрушения пород требуется

200-400 кгМ.

3 Ограниченное число оборотов турбины. Долото эффективно работает при числах

оборотов не более 500-700 в мин.

4 Возможность работы при подаче абразивной жидкости. К турбобуру подается буровой

раствор.

5 Работа турбин происходит при переменных нагрузках.

Наиболее распространенная схема турбобура – это многоступенчатая осевая турбина

(до 350 ступеней).

Рассмотрим одну ступень турбобура (рисунок 8.7)

вал

Рисунок 8.7

Одна ступень турбобура (рисунок 8.7) состоит из двух лопаточных

систем - статора (неподвижная часть) и ротора, вращающегося вместе с

валом. Основные размеры ступени D - средний диаметр турбины,

- длина

лопатки по радиусу.

Так как турбины турбобуров осевые, то, если рассечь ступень

цилиндрической поверхностью радиусом

относительно оси турбины

по лопаткам и развернуть сечение на плоскость, получается плоская

прямая решетка профилей, как показано на рисунке 8.8.

Рисунок 8.8

Решетка состоит из z - профилей по числу лопаток. Каждый профиль имеет среднюю

линию, происходящую через центры вписанных в профиль окружностей и хорду

соединяющую крайние точки профиля по вогнутой стороне.

Линия, соединяющая одинаковые точки профилей на входе и выходе потока,

называется фронтом решетки (ось решетки). Расстояние по фронту между

соответствующими точками соседних профилей называется шагом решетки





(z -

число профилей,

- радиус по фронту - радиус развернутой цилиндрической поверхности).

Расстояние по нормали между фронтами (осевая высота профиля) носит название «ширина

решетки S». Если обозначить элементы статора индексом «С», а ротора - «Р», то ширина

профилей ступени турбины турбобура равна

где



- осевой зазор после статора «С» и ротора «Р».

Углы профиля - это углы между касательными к средней линии и фронтом решетки;

они обозначаются

л1



л2



для ротора и

л1



л2



- для статора.

8.4 Движение жидкости в каналах турбин

Так как в турбины турбобура жидкость поступает от бурового

поршневого насоса, то за счет неравномерности работы насоса и

переменного сечения каналов турбины распределение скоростей в потоке

жидкости носит сложный характер.

Представим себе, что на среднем диаметре D имеется струйка потока, скорости

которой осреднены во времени и пространстве, струйка обтекает лопатки турбины без удара,

тогда углы потока будут соответствовать:

л1



л1



и т.д.

Из параллелограммов скоростей (рисунок 8.8), построенных на решетках профилей

статора и ротора, видим, что поток, входящий в статор, увеличивает свою скорость от Со до

С1 при входе в ротор.

В роторе поток оказывает воздействие на лопатки и приобретает относительное

движение со скоростью

где U - окружная скорость, зависящая от характера обтекания лопаток ротора.

На выходе абсолютная скорость потока равна

WUC 

Если направление потока совпадает с направлением средней линии профиля ротора,

то движение носит безударный характер - режим безударный

UU 

; при отклонении от

этого направления происходит удар, возникают завихрения потока (рисунок 8.9).

Рисунок 8.9

Скорость вращения ротора зависит от количества прокачиваемой жидкости и живого

сечения каналов.

Определяющей скоростью движения жидкости в каналах турбин турбобура является

осевая составляющая абсолютной скорости - осевая

скорость





На рисунке 8.10 представлен вид турбины, из которого видно, что

DlF





(без

учета толщины лопаток). D и

- средний диаметр и радиальная ширина каналов.

ср

Рисунок 8.10

8.5 Число оборотов ротора турбины

Параллелограммы скоростей на входе и выходе из ротора имеют общие скорости U

и Cz .

Совмещенные треугольники скоростей называются полигоном скоростей. Для

безударного режима полигон имеет вид, показанный на рисунке 8.11.

Рисунок 8.11

Из полигона видно, что окружная скорость

равна

).()(

2211



ctgctgaCctgctgaCU

ZZб



U6 зависит от формы лопаток. Выразим окружную скорость через число оборотов:

Следовательно, число оборотов ротора турбины равно

)(





ctgctga

Zб



или, учитывая, что





- число оборотов турбины при безударном режиме,

составит

),(





ctgctga

Zб



т.е. число оборотов турбины зависит от количества перекачиваемой жидкости через

турбину в единицу времени

, от ее размеров D,

и от конструктивных углов





).,(



8.6.Определение вращающего момента турбины

Пр и дв и жени и по тока жидк ости чер е з ка налы пере м е нног о сечения

происходит изменение момента количества движения относительно некоторой

оси, что связано с действием внешних сил на поток:

По струйной теории Эйлера момент на лопатках гидромашины равен

).coscos(

222111



RCRCpQM 

Для осевой турбины

RRR 

поэтому

(

QM 



где

- проекции скорости на окружную.

Установим связь между моментом и числом оборотов турбины,

воспользовавшись полигоном скоростей (рисунок 8.12):

Рисунок 8.12

1111

cos



ctgCCC



2222

cos



ctgCuCC



Тогда вращающий момент равен

)(



ctgCuctgaC

QМ



Если турбина не нагружена, т.е. ее вал вращается вхолостую, то окружная скорость

maxmax

Dnuu





, а момент равен нулю:

Таким образом, вращающий момент равен

)(

max

QМ 



или, выражая окружную скорость через число оборотов, имеем















max

QМ

т.к. при n=0 М = М

тах

, то

Графическая зависимость вращающего момента от числа оборотов

показана на рисунке 8.13.

Рисунок 8.13

8.7 Коэффициенты турбинных решеток

Конструкции решеток определяются формой и углами установки

профилей, их относительным шагом

и зазором- между статором и

ротором.

Каждой решетке соответствует своя форма полигона скоростей, а серии решеток-

семейство подобных полигонов.

Каждая форма решетки будет обеспечивать определенные параметры

работы турбины.

Варьируя углами наклона абсолютных и относительных скоростей при

безударном режиме можно изменять как угодно форму полигона. Чаще изменяют не

углы, а отношения строя полигона:

Эти отношения называются кинематическими коэффициентами

решеток.

Так, отношение осевой скорости к окружной при безударном режиме

называется коэффициентом расхода. Действительно, подставляя значения этих скоростей,

получим:

т.е. коэффициент расхода зависит от количества жидкости, протекающей

через турбину в единицу времени, от ее размеров и числа оборотов.

С другой стороны, коэффициент расхода связан с конструктивными углами

лопаток, его обратная величина







ctgctgactgctgactgctga

2211

а б

Рисунок 8.14

На рисунке 8.14 видно, что рост коэффициента расхода сопровождается

увеличением углов наклона профилей и наклона средне квадратных скоростей





















Для турбин турбобуров коэффициент расхода принимается равным 0,7 1,3.

По коэффициенту расхода все решетки делят на следующие:

 1 – малолитражные, или высокоскоростные;



1 – многолитражные, или низкоскоростные.

Рассмотрим отношение

CС



, обозначив его



- коэффициент циркуляции.

Коэффициент циркуляции представляет собой отношение нижнего основания

полигона к верхнему (рисунок 8.15).

Рисунок 8.15

а окружная скорость

бб





, то коэффициент циркуляции







Мощность, снимаемая с вала турбины, равна N = М



, поэтому коэффициент

циркуляции как бы дает характеристику мощности турбины при безударном режиме, а

именно: если коэффициент циркуляции высокий, то мощность создается главным

образом за счет момента М, а если



низкий, то мощность создается за счет

больших скоростей вращения



В зависимости от величины коэффициента циркуляции турбины

бывают: нормальные, высокоциркулятивные



>1 и

низкоциркулятивные



<1. В турбобурах применяются главным образом

нормальные турбины.

Коэффициент циркуляции также можно выразить через конструктивные

углы: