Техника бурения нефтяных и газовых скважин - арактеристика турбобура

 

 

1.4.6 Характеристика турбобура

 

Рабочая характеристика турбины турбобура определяется частотой вращения вала п, крутящим моментом М на его валу, развиваемой мощностью N, перепадом давления Dр и гидравлическим коэффициентом полезного действия η количеством бурового раствора Q, прокачиваемого через турбину. В процессе бурения вследствие изменения момента сопротивления на долоте и количества прокачиваемого раствора все параметры турбобура меняются.

 

Крутящий момент на валу турбины возникает в результате взаимодействия потока жидкости с лопатками статора и ротора, В расчетах принимают, что в каналах ротора и статора турбины жидкость движется цилиндрическими слоями и не влияет на другие слои в радиальном направлении. Течение жидкости в цилиндрическом слое рассматривается в теории турбин, разработанной в прошлом веке инженером Эйлером. Согласно этой теории, в проточной части турбины протекает бесчисленное число цилиндрических слоев жидкости, а в каждом слое имеется множество струек или линий тока жидкости. Скорости движения струек в каждом цилиндрическом слое различны как в радиальном, так и в окружном направлении.

 

Для упрощения расчетов принимают, что эквивалентная струйка имеет некоторую среднюю скорость, соответствующую усредненным параметрам жидкости на расчетном диаметре Dсрлопаток турбобура.

 

Осевая скорость потока czжидкости (в м/с) в любом поперечном сечении турбины вычисляется по уравнению расхода

 

сz = Q/F = Q/πDcp l,                                                                          (1.1)

 

где Q - расход жидкости, м3/с; F - площадь поперечного сечения решетки турбины, м2; l- радиальная длина лопаток, м.

 

Для обеспечения протекания жидкости через турбину с определенной скоростью надо на входе в турбину иметь напор, который расходуется как на полезную работу, так и на преодоление вредных сопротивлений.

 

В турбобурах применяются многоступенчатые аксиальные турбины с густой решеткой специфичной конструкции и в теории турбин общего назначения эти турбины не рассмотрены. В 1936 г. инженером П. П. Шумиловым впервые была рассмотрена теория этих турбин и была предложена циркулятивная теория аксиальных многоступенчатых турбин, что позволило правильно подойти к проектированию турбин для турбобуров с учетом условий их работы. На основе анализа степени циркулятивности (си) турбины была предложена методика выбора наиболее важного параметра турбобура - соотношения вращающего момента М и частоты вращения п при работе на оптимальном режиме, т. е. отношение М/п.

 

Построение специальной циркулятивной теории аксиальных турбин потребовало введения некоторых понятий и обозначений к ранее существовавшим в теории турбин. Для всех величин, относящихся к месту входа потока жидкости в каналы ротора, принимаются индексы «1», а к месту выхода - индексы «2». Абсолютные скорости потока жидкости обозначаются буквой с, относительные w и переносные (окружные) и.

 

Рассмотрим изменение скоростей потока жидкости в лопастной системе многоступенчатой осевой турбины турбобура. Абсолютная скорость потока с может быть разложена на скорости в трех направлениях: осевом сz, тангенциальном (окружном) и и радиальном. Однако так как размер лопастей турбин турбобуров мал по сравнению со средним диаметром турбины, можно пренебречь изменениями в потоке жидкости вдоль радиуса и рассмотреть планы скоростей по двум осям: на направлении переносной скорости и на цилиндрической поверхности со средним диаметром Dср и в осевом направлении сz. На рис. 1.11 показаны планы скоростей в осевой решетке лопастей турбины. Окружная скорость на среднем диаметре Dср лопаток u = πDсрn.

 

Конструктивные углы наклона профиля лопаток на выходе статора обозначим α1, на входе α2, на входе ротора β1 и на выходе β2. В турбинах турбобуров применяют густые решетки и угол наклона α1 абсолютной скорости с1, приблизительно равен углу наклона лопастей статора.

 

Направление относительной скорости w1, зависит от соотношения скоростей u1 и c1 Построим треугольник скоростей в координатах u2 и c1 в точке истечения из ротора на входе в статор нижележащей ступени (координаты u2 = u1 и cz2 = cz1). Относительная скорость истечения жидкости с лопатки ротора направлена под углом β2 между направлением кромки профиля лопатки ротора и вектором окружной скорости. На рис. 1.11, бпоказано совмещение этих двух треугольников скоростей, по которым можно судить об изменении циркуляции потока.

 

При движении поток жидкости направляется в каналы статора, неся с собой определенный запас энергии, представленный в виде давления. По всей высоте канала статора происходит трансформация давления в скоростной напор. При этом весь поток к концу канала статора вследствие поворота лопаток ротора начинает вращаться вокруг оси турбины. Статор вырабатывает в потоке к моменту его истечения винтовой вихрь, осью которого является ось турбины, а напряжение вихря потока зависит от скорости циркуляции его вокруг этой оси.