Что называют характеристикой турбины
Характеристика турбины, способы изменения характеристики
Мощность на валу N = z m n.
Мощность N можно также определить по расходу Q и перепаду давления Dр:
С изменением подачи и качества бурового раствора, прокачиваемого через турбину, изменяются ее энергетические параметры согласно соотношениям, впервые предложенным П.П.Шумиловым:
; 
; 
; 
; 
; 
.
Отношение М/п при роторном бурении значительно больше, чем при турбинном. Особенно четко это видно для турбобуров малых диаметров, поскольку
,
Зная энергетические параметры при одном режиме промывки из стендовых исследований и пользуясь этими соотношениями, можно определить параметры турбины при различных значениях расхода и разном качестве бурового раствора.
Применение маховых масс приводит к смещению и расширению рабочей области турбобура.
С изменением осевой нагрузки и трения в опорах турбобура изменяются и передаваемые на долото мощность и момент.
Область устойчивой работы пр – пу для турбобуров с шаровой опорой шире, чем турбобуров с резино-металлической опорой. Частота вращения пу соответствует предельно допустимому крутящему моменту (осевой нагрузке), при превышении которого вал турбобура перестает вращаться, и определяет устойчивую область работы турбобура слева, т.е. минимальную частоту вращения вала турбобура.
Кроме секционирования, улучшить моментную характеристику турбобура можно применением механических редукторов, которые снижают частоту вращения в 2-3 раза. Например, редукторный турбобур ТР2Ш-195 с многорядным планетарно-фрикционным редуктором имеет частоту вращения около 200 об/мин при КПД = 0,55.
Характеристики турбины
Классификация решеток прямоточных турбин.
Каждому сочетанию трёх коэффициентов 
, mа и σ соответствует определённый тип решеток, и наоборот, каждый тип решеток характеризуется тремя безразмерными параметрами. На рис. 3.2. приведена классификация решеток по двум коэффициентам mа и σ, там же изображен полигон безразмерных скоростей и форма решетки.
Рис. 3.2. Классификация турбинных решеток.
Под характеристикой турбины турбобура принято понимать зависимость момента, мощности, перепада давления и коэффициента полезного действия от числа оборотов вала турбины при фиксированном расходе промывочной жидкости.
По способу получения характеристики турбин делятся на теоретические и экспериментальные.
Теоретические характеристики получают на основе формул, описывающих поведение указанных параметров турбины в функции числа оборотов вала при фиксированном расходе жидкости.
Экспериментальные характеристики получают на специальных стендах посредством испытаний 5 – 8 ступеней турбины с последующим пересчетом полученных результатов либо на одну ступень, либо на турбину в целом.
Остановимся на теоретических характеристиках турбин. Для этого обратимся к уравнению Л. Эйлера, представленному формулами (12) и (13) и к планам скоростей для входа и выхода из ротора (рис. 3.3.).
 |
Рис. 3.3. Планы скоростей: а) – для входа в ротор; б) – для выхода из ротора.
Используя планы скоростей, (рис. 3.3.) выразим окружные составляющие абсолютных скоростей c1u и c2u:
Подставив полученные выражения для окружных составляющих согласно (27) в уравнение момента (12) получим:
где cz(ctg α1+ ctg β2)= umax т. к. при полностью разгруженной турбине Mi=0, но ρ, Q и rср не равны нулю, следовательно должна быть равна нулю разность, стоящая в квадратных скобках, а последнее возможно при u= umax.
Mi= ρ·Q(nmax—n) 
= ρ·Q·aм(nmax—n), (28а)
где aм=— коэффициент момента.
Следовательно, зависимость момента от числа оборотов линейная, но из-за наличия дискового трения эта зависимость имеет некоторое отклонение от линейной.
Величина дискового трения может быть найдена по формуле:
Mд=ρ·g·λ·n 2 ·D
·l,
где λ – коэффициент трения (при работе на воде λ=0,52 – 0,54).
Из уравнения (28) легко получить уравнение мощности ступени турбины:
где an=
— коэффициент мощности.
Определим экстремальное число оборотов. Для этого возьмём производную от уравнения (29) и приравняем её к нулю:
ρ·Q·an(nmax-2nэ)=0.
Поскольку ρ, Q и an не равны нулю, то от сюда следует, что нулю может быть равна только разность, стоящая в скобках и, следовательно, nэ=
.
Тогда максимальная величина мощности будет равна:
Nmax= ρ·Q·an
. (30)
Известно, что коэффициент циркуляции определяют по формуле:
σ= 
=
; откуда 
=
.
Следовательно, безударный режим у низкоциркулятивных турбин расположен справа от экстремального, т.к. σ 1, то безударный режим находится слева от экстремального; при σ=1 безударный и экстремальный режимы совпадают.
Рассмотрим поведение линии перепада давления.
ρ·g· Hi=Δpi=
· ρ·g= ρ 
·u = ρ ·aн(nmax—n)·n, (31)
где aН – коэффициент напора, aН =
.
Левая часть выражения (31) представляет перепад давления. Не трудно видеть, что максимальная величина перепада давления будет аналогично мощности при nэ=
, а его максимальная величина будет равна:
Δpi max= ρ·aН
, (32)
Таким образом, общие потери давления в ступени составят:
Разделив почленно правую и левую части уравнения (33) на максимальный перепад давления, описываемый уравнением (32), получим перепад давления в турбине в безразмерной форме:
, (34)
где 
, 
=
— безразмерные параметры.
|
Уравнение (34) есть уравнение линии перепада давления в безразмерной форме.
Рис. 3.4. Зависимость перепада
давления от частоты вращения
ротора турбины.
Рассмотрим поведение коэффициента полезного действия турбины.
Известно, что коэффициент полезного действия η есть отношение полезной мощности Nп к затраченной Nз:
η =
. (35)
Значение полезной мощности нами было уже получено ранее в виде уравнения (29).
Величину затраченной мощности получим, умножив правую и левую часть уравнения (33) на расход жидкости Q:
Подставив в уравнение (35) значения числителя и знаменателя соответственно по уравнениям (29) и (36), получим:
η =
=
=
. (37)
Разделив числитель и знаменатель уравнения (37) на максимальный перепад давления, описываемый выражением (32), получим:
η =
. (38)
 |
3.9. Характеристика «турбобур-долото-забой» (ТДЗ).
Действительная характеристика существенно отличается от характеристики турбины, поскольку турбобур содержит радиальные опоры и узел осевой опоры. Кроме того, в процессе бурения на вал турбобура действует сила реакции забоя, обусловленная осевой нагрузкой на долото и момент сил сопротивления вращению долота. Указанная сила и момент на вращение долота суммируются с внутренними силами и моментами, образующимися в турбине в процессе преобразования гидравлической энергии в механическую и, таким образом, формируют внешнюю характеристику гидравлического забойного двигателя.
Рассмотрим более подробно силы, действующие на вал ГЗД. Основные силы направлены вдоль оси вала. К ним относится сила, обусловленная весом всей вращающейся системы (с учетом Архимедовых сил) и направленная вниз, гидравлическая сила, обусловленная перепадом давления на роторах и статорах ступеней турбины и по направлению совпадающая с силой тяжести.
При бурении возникает третья сила, обусловленная реакцией забоя и направленная в противоположную сторону по отношению к первым двум силам. Результирующая сила, равная алгебраической сумме перечисленных трёх сил, передаётся осевой опоре, а от неё – бурильной колонне.
Составим уравнение равновесия осевых сил, приложенных к валу ГЗД в процессе бурения.
К валу ГЗД приложены следующие моменты: момент, вырабатываемый турбиной Мк, момент сил трения в радиальных опорах Мр.о., момент сил трения в элементах осевой опоры Мо.о. и момент сил сопротивления вращению долота Мд.
Следовательно, уравнение моментов будет иметь вид:
Представив момент на долоте в виде Мд=Му· R и отбросив момент в радиальных опорах Мр.о. в виду его малости (в сравнении с другими моментами), уравнение (40) примет вид:
Момент в осевой опоре представим в виде:
где μ – коэффициент трения; rпр – приведенный радиус трения, rпр=
.
Подставим в уравнение (41) значение момента сил трения в осевой опоре в соответствии с уравнением (42):
Проведем преобразования в уравнении (43), записав его в виде:
Уравнение (44) запишем в виде:
R= 
(45)
Умножив правую и левую части уравнения (45) на Му, а так же принимая во внимание линейную зависимость момента турбины Мк от числа оборотов, получим:
R· Му= Мд= 
(46)
Обозначив отношение 
=φ и разделив обе части уравнения (46) на 
, получим:
, (47)
где S= [
]∕.
Уравнение (47) представляет зависимость момента на долоте от числа оборотов долота, представленное в безразмерной форме.
Рис. 3. Внешняя характеристика турбобура
а) – зависимость момента 
на долоте от числа оборотов долота 
;
Тема 3.6 Характеристики газовых турбин
знать: зависимости температуры, давления, расхода газа и частоты вращения ротора от изменения внешней нагрузки;
уметь: строить характеристики газовых турбин при изменении режима работы турбины.
Зависимость температуры, давления и расхода газа, а такие частоты вращения ротора от изменения нагрузки. Построение характеристики турбины с использованием приведенного расхода и частоты вращения.
Литература: [2], стр. 63-65; [3], стр. 184-187, [4], стр. 148-155; [5], стр. 73-76
Методические указания
Регулирование режимов работы ГТУ можно проследить на основе совмещения характеристик осевого компрессора, турбины и нагнетателя, прежде всего ГТУ простейших схем открытого цикла.
При изменении режима работы турбины изменяются температура, давление и расход газа. Связь между этими величинами при изменении нагрузки называют характеристикой турбины.
Для построения характеристики турбины удобно пользоваться не абсолютными, а относительными приведенными расходом и частотой вращения.
Приведенный расход газа через турбину не зависит от частоты вращения турбины к практически зависит от соотношения давлений расширения, что позволяет построить совмещенные характеристики и турбины в одних и тех же координатах.В общем виде характеристиками турбины являются зависимости степени расширения икпд от относительного приведенного расхода и относительной приведенной частоты вращения.
Вопросы для самоконтроля
1. Что называют характеристикой турбины?
2. Какими величинами пользуются для характеристики турбины?
3. Что называют универсальной характеристикой турбины?
4. Как изменяется кпд турбины при увеличении или уменьшении расхода газа?
5. Какие параметры газовых турбин можно определить по их характеристикам?
Раздел 4. ЭКСПЛУТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ПРИ РАБОТЕ НА
ГАЗОПРОВОДАХ, ИХ КОНСТРУКЦИИ
Тема 4.1 Газовые турбины, их конструкции и
Характеристики
знать: основные элементы газовой турбины
Основные элементы газовой турбины, их назначение и конструкция. Активная и реактивная турбинная ступень, их характеристики.
Литература: [2], стр. 6-22; [4], стр. 102-114; [3J, стр. 96-116
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников по учебной дисциплине «Газотурбинные установки»
вернуться в начало