1、第三章 渦輪機械第一節(jié) 概 述 渦輪鉆具是一種結(jié)構(gòu)比較特殊的井下動力鉆具，它由鉆井泵打出的高壓鉆井液來驅(qū)動。渦輪鉆具鉆井與轉(zhuǎn)盤鉆井相比，主要優(yōu)點是：將能量集中在井底驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)以破碎巖石，此機械鉆速較高；鉆井時鉆桿不轉(zhuǎn)動，減少了鉆桿的磨損和斷裂事故，延長了鉆桿的使用壽命，特別適合于打定向井、叢式井以及進(jìn)行修井、側(cè)鉆等特殊作業(yè)。 渦輪鉆具在前蘇聯(lián)一直作為主要的鉆井工具，鉆井總進(jìn)尺占80%以上。長期以來，渦輪鉆具主要是配用牙輪鉆頭打井，存在著渦輪鉆具轉(zhuǎn)速高，牙輪鉆頭壽命短、進(jìn)尺少，及其像膠一金屬推力軸承工作壽命不長等缺點；但隨著高轉(zhuǎn)速、低鉆壓聚晶金剛石復(fù)合片PDC鉆頭的推廣應(yīng)用，隨鉆測量技術(shù)的普及

2、，以及各種新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，渦輪鉆具在石油、天然氣鉆井工程中將會發(fā)揮越來越大的作用。 一、渦輪的工作原理 渦輪鉆具是接在鉆桿的下端，隨鉆桿一起下到井底的一種井底動力鉆具。渦輪鉆具中的渦輪，是把液體能（主要是動能及部分壓能）變?yōu)闇u輪軸上的機械能，從而帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖石。 渦輪鉆具是一種特殊結(jié)構(gòu)的水渦輪，它的作用原理和地面上的一般水渦輪相同，可用下面簡單的例子說明，如圖3-1所示。圖3-1 在軸上旋轉(zhuǎn)的漏斗漏斗A可繞0102軸旋轉(zhuǎn)，將液體從漏斗上部灌入，下部噴出，噴出的速度大小和方向與進(jìn)口不同。液流進(jìn)出口動量矩的變化，使漏斗中的液體受一力矩。該液體以大小相等方向相反的力矩作用在漏斗上，使漏斗沿箭頭

3、所示方向轉(zhuǎn)動。如把幾個漏斗沿0102軸的圓周放置，成一整體就構(gòu)成了渦輪，即可帶動0102軸旋轉(zhuǎn)作機械功?？梢娨孤┹嗇S作機械功，必須使液流在進(jìn)入工作輪前具有一定的方向和速度，因此，液流在進(jìn)入工作輪前應(yīng)通過一個導(dǎo)向裝置。在渦輪的導(dǎo)向裝置（或定子）中，只發(fā)生液體能形式的改變，把部分壓能轉(zhuǎn)換為動力能，并把液流引導(dǎo)一定方向。而工作輪（或渦輪轉(zhuǎn)子）中，發(fā)生液體能轉(zhuǎn)換成機械能的過程，并帶動渦輪軸旋轉(zhuǎn)，對外作機械功。鉆井用的渦輪鉆具，在工作條件和結(jié)構(gòu)方面都與地面的水渦輪有很大區(qū)別。它與地面水渦輪相比，其特點是： 地面水渦輪的外殼尺寸大小不受限制，可根據(jù)渦輪功率的大小而定，而且都是單級的，即只有一個導(dǎo)向輪和一

4、個工作輪。而渦輪鉆具的外殼尺寸則受到井眼直徑的嚴(yán)格限制。所能通過的流量(即鉆井泵的排量)也不大，因而使渦輪鉆具軸上產(chǎn)生較大的功率，就必須采用多級渦輪，其級數(shù)多達(dá)一、二百級以上。 渦輪鉆具中所用的工作液體是泥漿，粘度太、含砂多，對渦輪具的零部件危害很大，因而它的零部件必須能適應(yīng)這種惡劣的工作條件。 二 渦輪鉆具的結(jié)構(gòu) 為了滿足鉆井工藝的要求，目前在國內(nèi)外發(fā)展了許多類型的渦輪鉆縣，但基本結(jié)構(gòu)差 別不大。下面介紹我國常用的渦輪鉆具的典型結(jié)構(gòu)。 圖 32 單式渦輪鉆具結(jié)構(gòu)示意圖 1 大小頭；2一壓緊螺帽； 3一軸b承座； 4軸承盤；5支承環(huán) 6調(diào)節(jié)環(huán)；7定子；8轉(zhuǎn)子； 9中鈾承； 10一下軸承；11主

5、軸 圖 52 WZ255渦輪鉆具結(jié)構(gòu) l一大小頭；2外殼；3防松螺母；4鎖緊墊圈；5帽罩；6支撐套筒；7轉(zhuǎn)子螺母；8支承盤； 9支承環(huán)；10止推軸承；11調(diào)節(jié)環(huán)；12定子；13一軸，14轉(zhuǎn)子；15一銷； 16中軸承套，17一中軸承；18一撐套；19下部短節(jié)；20下部軸承套，2l鍵；22軸接頭 1單式渦輪鉆具 現(xiàn)以國產(chǎn)WZ一215型單式渦輪鉆具為例，介紹渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)。圖32為渦輪鉆具結(jié)構(gòu)示意圖，圖33為WZ一215型渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)圖。 圖 54 渦輪定子和轉(zhuǎn)子（a）結(jié)構(gòu)圖 （b）渦輪的軸側(cè)圖 渦輪鉆具的主要部件是渦輪，每一級渦輪由一個定子和一個轉(zhuǎn)子組成，如圖34所示。圖3-5 渦輪鉆具止推軸承

6、1一止推軸承座；2一支承盤，3支承環(huán)圖 3-4 渦輪的定子和轉(zhuǎn)子（a）結(jié)構(gòu)圖 （b）渦輪的軸測圖 渦輪一般是鑄鋼的，渦輪上有很多彎曲的葉片，定子和轉(zhuǎn)子的葉片形狀基本一樣，只是葉片的彎曲方向相反，這樣就保證了定子對液流能量的部分轉(zhuǎn)化及導(dǎo)流和轉(zhuǎn)子將液體能轉(zhuǎn)化為機械能， WZ一215型渦輪鉆具共有100級渦輪，即有定子和轉(zhuǎn)子各100個。定子裝在固定的外殼內(nèi)，轉(zhuǎn)子裝在可旋轉(zhuǎn)的主軸上。轉(zhuǎn)子和定子之間要保持一定的軸向間隙，WZ一215的軸向間隙為11mm。為了承受軸向載荷，在渦輪上部裝有止推軸承。止推軸承由支承盤、支承環(huán)和帶有塑料襯面的軸承座組成。止推軸承的內(nèi)緣也有橡膠襯面，以起徑向扶正作用，如35所示。

7、 為了減輕這種橡膠金屬止推軸承上的負(fù)荷及磨損，該鉆具一共裝有12套結(jié)構(gòu)相同的止推軸承。軸承座與外殼固定在一起，不轉(zhuǎn)動，兩軸承盤與支承環(huán)則固定在主軸上與軸一起轉(zhuǎn)動，軸承座與軸承盤之間有2mm的間隙。止推軸承磨損后，軸向間隙增大，使主軸相對于外殼上移和下沉。 渦輪鉆具的主軸細(xì)而長，約7.5m。在高速旋轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生擺動，因此在主軸的中部和下部裝有徑向軸承，稱中部軸承和下部軸承，起扶正作用。下部徑向軸承還起著壓緊短節(jié)和防止泥漿外泄的密封作用。徑向軸承乃是帶橡膠的軸承。中部軸承由軸承套和中軸承組成，并帶有通過泥漿的溝槽，其結(jié)構(gòu)見圖36、圖37。 渦輪鉆具的主軸由鉻鉬鋼鍛成，上軸端有反扣螺紋，下端有錐形接

8、頭，并與鉆頭連接。 軸的中下部有三個斜孔，用于將洗井液引入鉆頭。 中部軸承、下部軸承(或壓緊短節(jié))和止推軸承均由鉻鋼制成，上面粘有橡膠層，為了調(diào)節(jié)各級渦輪定子與轉(zhuǎn)子之間的軸向間隙，在最上面一個定子的上部和止推軸承的軸承座之間裝有一個調(diào)節(jié)環(huán)，可采用不同高度的調(diào)節(jié)環(huán)來調(diào)節(jié)渦輪鉆具的軸向間隙。 圖3-7渦輪鉆具的下部軸承 圖3-6渦輪鉆具的中部軸承 為了保證渦輪鉆具軸上所有轉(zhuǎn)子和各旋轉(zhuǎn)部分的零件固定在主軸上不致松動，全部轉(zhuǎn)動部分的零件均由壓緊螺帽壓緊在主軸的下部臺階上。所有定子和不轉(zhuǎn)動的零件由大小頭和下部軸承固定在外殼內(nèi)。綜上所述，渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)分為旋轉(zhuǎn)和固定的兩大系統(tǒng)。以主軸為中心的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)從上而

9、下依次是：防松螺帽、帽罩、軸承盤、支承環(huán)、主軸、轉(zhuǎn)子、中部軸承套、撐套、下部軸承套。固定于外殼中的固定系統(tǒng)從上而下依次為：大小頭、支承套筒、止推軸承座、調(diào)節(jié)環(huán)、定子、中部軸承、下部壓緊短節(jié)(下部軸承)、外殼，見圖3-2、圖3-3所示。洗井液在渦輪鉆具中的流動情況是：泥漿從鉆桿中心進(jìn)入渦輪鉆具，經(jīng)止推軸承的孔眼進(jìn)入渦輪中，經(jīng)過各級渦輪把部分液體能變成渦輪軸上的機械能后，從主軸的三個側(cè)孔流進(jìn)鉆頭。清洗井底后由環(huán)形空間返出地面。 為滿足不同鉆井工藝的需要，渦輪鉆具有多種類型和規(guī)格。例如，鉆深井的復(fù)式渦輪鉆具、鉆定向井的短渦輪鉆具和取巖芯的取芯渦輪鉆具等。渦輪鉆具的類型和規(guī)格見表3-1。 2復(fù)式渦輪鉆

10、具 鉆深井時，由于鉆柱很長，泥漿的沿程阻力很大，泵壓很高。為減少阻力，降低泵壓，使鉆井泵不致超負(fù)荷運行，就需要減少泥漿排量，這樣，單節(jié)渦輪鉆具所得到和輸出的功率，必然大為減少，因此，需增加渦輪的級數(shù)以提高總功率。然而，過長的渦輪鉆具不論在制造還是裝配都有困難，因此，出現(xiàn)了復(fù)式渦輪鉆具，它實際上是兩節(jié)或三節(jié)單式渦輪鉆具的組合。圖3-8中給出了我國現(xiàn)場常用的復(fù)式渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)，它實際上是由兩節(jié)渦輪鉆具組成。 復(fù)式渦輪鉆具的外殼是用帶錐形扣的接頭連接，主軸靠圓錐摩擦聯(lián)軸器連接。依靠渦輪鉆具工作時所造成的軸向水力載荷將摩擦聯(lián)軸器壓緊，使上下兩節(jié)渦輪的主軸連成一體帶動鉆頭工作。為了防止上下兩節(jié)軸在聯(lián)軸器

11、錐面處打滑，摩擦錐面的配合要求嚴(yán)密，同時，為了保證聯(lián)軸器摩擦錐面之間產(chǎn)生必要的摩擦力，復(fù)式渦輪鉆具的上段不裝止推軸承，止推軸承裝在下段渦輪鉆具的最上端。這樣上段渦輪整個旋轉(zhuǎn)部分所受向下的軸向載荷都必須先通過摩擦聯(lián)軸器，然后再作用于止推軸承，從而保證為產(chǎn)生足夠的摩擦力所必須的軸向壓力。近年來，我國對復(fù)式渦輪鉆具連接部件的結(jié)構(gòu)作了一些改進(jìn)。在2WZ-215A型復(fù)式渦輪鉆具中，已把這部分結(jié)構(gòu)改成花鍵及圓錐摩擦聯(lián)軸器的組合結(jié)構(gòu)，如圖3-9所示。這樣的聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)有效地解決了兩主軸聯(lián)接處的打滑和磨損問題。表51 渦輪鉆具規(guī)格及工作特性(泥漿重度9800Nm3，粘度小于30s)渦輪鉆具的型號直 徑mm長 度

12、mm重 量kg渦輪接頭葉輪類型渦輪級數(shù)排 量Ls功 率KW轉(zhuǎn) 矩Nm轉(zhuǎn) 速rmin壓力降Pa節(jié)數(shù)備注上接頭下接頭WZ-225WZ-240WZ-215WZ-1952 WZ-215WZ-1702WZ-1703WZ-1273WZ-104.54WZ-104.52WZ-215D1WZ-170DWZ-170DWZ-1273AWZ-170225240215195215170170127104.5104.52151701701271709220924592009100142408500150201429513180166651548044853400573497902465211517051440256810

13、042185100066587331686236206205205205204204203202302305204205203204206305205204204204204203302302305204205203204202722.53016.52222.52120.52120.51622.5281625121813.51813.53016.5100120100961761002402402122832204565305532452535253518302025121489783040773314024146127381036819012.5606310033532435223378184

14、1540406091030208601700610119011202160260730880137043058023029024030019903540490790440302515725600840600840475795550680760885105011809201050381503(3079)105(1964)105(2671)105(2447)105(1746)105(4487)105(5383)105(6690)105(6171)105(6281)105(4682)10511112123342 圖 38 復(fù)式渦輪鉆具1 上節(jié)殼體；2下節(jié)殼體；3短節(jié)；4短節(jié)絲扣部分；5、6錐面摩擦聯(lián)

15、軸器252 圖39花鍵圓錐摩擦聯(lián)軸器 實踐表明，使用復(fù)式渦輪鉆具，由于增加了渦輪鉆具的節(jié)數(shù)（即增加渦輪級數(shù)）能在較深地層以足夠的扭矩進(jìn)行鉆進(jìn)。常用的是雙節(jié)和三節(jié)的復(fù)式渦輪鉆具，但繼續(xù)增加節(jié)數(shù)會使軸向間隙的調(diào)節(jié)變得復(fù)雜，使用也不方便。 第二節(jié)渦輪內(nèi)液體的運動和基本方程 一、渦輪內(nèi)液體的運動 渦輪內(nèi)能量的轉(zhuǎn)換過程， 是通過渦輪內(nèi)液體速度的變化，即動量矩的變化實現(xiàn)的。因此，了解渦輪內(nèi)液體的運動，是研究渦輪工作理論的基礎(chǔ)。現(xiàn)以渦輪鉆具的軸流渦輪為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。 通過渦輪的液體，是直徑為D1和D2的兩個同軸圓柱面間運動，見圖3-10。它可以看作是無數(shù)層液體的合成運動。圖示的軸流渦輪中，每個圓柱層的液體離

16、旋轉(zhuǎn)中心的距離不同，它的運動速度及渦輪葉片的作用也不相同。為簡化研究，選一個直徑為D的圓柱層作為計算直徑，在此直徑上液流的運動相當(dāng)于所有圓柱層液流的平均運動。按此直徑上的液流平均速 圖310 渦輪內(nèi)液體的運動 圖311 轉(zhuǎn)子入口及出口處的速度三角形 度計算出渦輪的性能參數(shù)，與考慮圓柱層液流的特點后的渦輪性能參數(shù)相同。這種以某個單元液流運動來代替整個液流的研究方法，稱為單元理論法，它在葉片式機械中應(yīng)用很廣。一般來說，滿足上述條件的計算直徑，并不等于渦輪流道內(nèi)外徑的代數(shù)平均值，但計算證明，其誤差不超過2，因而就取平均直徑D作計算直徑 D=D1+D22 用一直徑D的圓柱面為截面，通過渦輪的平均直徑，

17、將截面拉直展開成平面，就可將渦輪葉片的斷面表示出來，液體繞平均直徑為D的圓柱面流動，就變?yōu)槠矫孢\動。如圖 3-11所示。 這樣，空間的流動就簡化為平面流動。為研究方便，運動速度符號、水力角均與離心泵一致，即 c絕對速度； u圓周速度； w相對速度； w與u的夾角； u與c的夾角； K表示結(jié)構(gòu)（如1k表示定子出口處葉片的結(jié)構(gòu)角）流體經(jīng)過固定不轉(zhuǎn)的定子時，定子葉片迫使液體沿著它的流道方向運動。在定子出口及轉(zhuǎn)子入口處液體的絕對速度為c1（見圖3-11），c1的方向應(yīng)與定子葉片的出口角相切，即1=1k,，其速度大小則取決于液體流量的大小。當(dāng)流經(jīng)定子的流量為一定時，c1的大小和方向都是定值，c1在軸向方

18、向的分速度c1z為 c1z=c1sin1=QyF1 （31） 式中 Qy-通過定子流道的實際流量（或稱有效流量）； Ft-垂直于軸向速度的定子 流道的有效面積。 F1=Db （32） 式中 D流道的平均直徑； b葉片徑向長度，或流道寬度； 考慮葉片厚度影響的斷面縮小系數(shù)，一般為0.9 液體以速度c1進(jìn)入旋轉(zhuǎn)著的轉(zhuǎn)子流道，轉(zhuǎn)子以u1=Dn60的圓周速度運動，則此時液體相對手轉(zhuǎn)子葉片的相對速度w1為 由c1、和組成渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口處的速度三角形。渦輪鉆具工作時，渦輪轉(zhuǎn)子的圓周速度u1和轉(zhuǎn)速n經(jīng)常是變化的，它的大小取決于鉆頭在井底遇到的阻力大小，即與井底巖性、鉆壓的大小有關(guān)，方向一定，但大小是不斷變化的

19、。當(dāng)?shù)姆较蛘门c轉(zhuǎn)子葉片入口結(jié)構(gòu)角一致時，即1=1k 時，渦輪的水力損失最小，這時只有沿程阻力損失，而不存在液流對轉(zhuǎn)子葉片的沖擊損失，稱該工況為無沖擊工況。當(dāng)渦輪鉆具主軸上的載荷增大或減小時，則圓周速度降低或增加，使相對速度的大小和方向發(fā)生變化。在這種情況下，11k，液流在轉(zhuǎn)子入口處將產(chǎn)生沖擊，如圖3l2所示。圖12 轉(zhuǎn)子進(jìn)口處的三種速度三角形 當(dāng)流量一定，速度c1的大小和方向一定，即c1z=QyF1、1=1k。為了使液流能平滑地從轉(zhuǎn)子流道通過，希望液體相對于轉(zhuǎn)子葉片運動的相對速度盡量與轉(zhuǎn)子葉片的進(jìn)口結(jié)構(gòu)角1k方向一致，此時液體的水力損失最小，稱無沖擊工況，如圖312(b)所示。此時的圓周速度

20、稱為無沖擊圓周速度，以u1w表示。當(dāng)渦輪軸上負(fù)荷增加，渦輪轉(zhuǎn)速降低，圓周速度降為u1,相對速度為w1,顯然液體將與轉(zhuǎn)子葉片正面發(fā)生沖擊，在葉片進(jìn)口的背面產(chǎn)生旋渦，使水力損失增加，如圖312(a)所示。當(dāng)渦輪軸上負(fù)荷減小，圓周速度將增大為,相應(yīng)地使相對速度變?yōu)閣1,顯然，此時液體將與葉片背面發(fā)生沖擊，在葉片進(jìn)口的前面產(chǎn)生旋渦，使水力損失增加,如圖312(c)所示。 從上面討論，可歸納出以下幾點： (1)速度c1的方向取決于定子葉片的出口結(jié)構(gòu)角，大小取決于流量，在一定流量下， c1是不變的。 (2) 圓周速度或轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n，取決于渦輪鉆具下的鉆頭在井底遇到阻力的大小， 它與巖性、鉆壓大小有關(guān)，通常

21、是不斷變化的。 (3)相對速度w1等于c1與的矢量差。當(dāng)c1為定值時，w1隨圓周速度變化，因此， w1與的夾角1是變化的。 (4)當(dāng)w1的方向正好與轉(zhuǎn)子進(jìn)口處葉片的結(jié)構(gòu)角相切，即1=1k時，稱為無沖擊工況，此時渦輪的水力損失最小。 渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口處無沖擊工況時的速度三角形可按下列步驟求得，見圖313。 轉(zhuǎn)子進(jìn)口 轉(zhuǎn)子出口 圖 313 無沖擊工況時的速度三角形 首先以c1=QyFt,作出c1的軸向分速度；量出定子出口處的葉片結(jié)構(gòu)角1k及轉(zhuǎn)子進(jìn)口處的葉片結(jié)構(gòu)角1k，以c1z為高，利用1k和1k作出三角形，這樣就可求得c1、 w1及。其中uw為無沖擊工況下轉(zhuǎn)子的圓周速度。以uw可求出無沖擊工況下渦輪的

22、無沖擊轉(zhuǎn)速, 即 nw=60uwD (33)也可寫成 nw=60Dc1z(cot1k+cot1k)=60QyDF1(cot1k+cot1k) (34) 由此可見對一定結(jié)構(gòu)的渦輪，D、F1、1k及1k均為常數(shù)，其無沖擊條件時的轉(zhuǎn)速 nw與流量Qy成正比。在一定流量下，渦輪只能有一個無沖擊轉(zhuǎn)速。在實際鉆井時，渦輪鉆具的轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷 (即鉆壓)大小而變，只有在一定的鉆壓時，才能使渦輪鉆具在無沖擊工況下工作。 以上討論了轉(zhuǎn)子進(jìn)口處的速度三角形。轉(zhuǎn)子出口處，液體質(zhì)點除了具有和葉片相切方向的相對速度 w1外，還具有圓周速度u2，其絕對速度c2是和u2的矢量和，見圖311即 c2= + u2 對于軸流渦輪，由

23、于轉(zhuǎn)子進(jìn)出口的半徑相同，所以u2=u1=R。式中的為渦輪軸的角速度，R為流道平均半徑。 轉(zhuǎn)子出口處無沖擊工況的速度三角形求法與進(jìn)口處類似，見圖313。先量出轉(zhuǎn)子出口處的結(jié)構(gòu)角2k，并由c2z=QyF2求出c2的軸向分速度度c2z，其中F2為垂直于軸向分速度的轉(zhuǎn)子出口流道的有效斷面積，它通常與定子流道斷面積相等，即F1=F2。然后作出u2=u1=uw，這樣就可以作出w2、c2及2角，得到轉(zhuǎn)子出口處的無沖擊工況的速度三角形 。液流以絕對速度c2進(jìn)入下一級定子，此時對定子無沖擊條件必須是2=2k。2k為定子進(jìn)口處葉片的結(jié)構(gòu)角。這是無沖擊工況的第二個條件。為使渦輪在某一轉(zhuǎn)速nw下同時滿足定子和轉(zhuǎn)子的無

24、沖擊條件，在設(shè)計渦輪的結(jié)構(gòu)角時，應(yīng)使轉(zhuǎn)子和定子的進(jìn)口無沖擊工況處于同一轉(zhuǎn)速。 二、渦輪內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律渦輪的基本方程式 渦輪鉆具內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化與離心泵內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系剛好相反，離心泵是把動力機輸?shù)奖幂S上的機械能，通過泵轉(zhuǎn)化成液體的液體能；而渦輪鉆具則是將鉆井泵輸送來的鉆井液的液體能，通過渦輪轉(zhuǎn)化為渦輪軸上的機械能，帶動鉆頭對外作機械功，破碎巖石。 因此，與離心泵的基本方程式的推導(dǎo)一樣，只要了解了渦輪內(nèi)液體的運動規(guī)律，利用第二章的液流動量矩原理就能推導(dǎo)出渦輪的基本方程。由于單位重量液體在渦輪進(jìn)口處具有的能量比出口處高，兩者之差就代表單位重量液體傳給渦輪的能量(或壓頭)。 將液體在葉輪進(jìn)口及出口處的

25、能量交換一下，即可將離心泵的基本方程改為渦輪的基 本方程式，即 Hh=1gu1c1cos1-u2c2cos2 （3-5）式中g(shù)重力加速度。 對于軸流渦輪(見圖311)，c1cos1=c1u，c2cos2=c2u，且u1=u2，則單位重量液體傳給渦輪的理論能量，即渦輪的基本方程式可改寫為 Hh=1gu1c1u-u2c2u=ugc1u-c2u （3-6） 現(xiàn)把渦輪獲得的機械能和液體傳給渦輪的液體能聯(lián)系起來，不考慮能量轉(zhuǎn)化過程中的損失，從能量守恒可知 Mt=QzHh （3-7）式中Mt渦輪主軸的理論轉(zhuǎn)矩; 渦輪主軸的角速度 Qz通過渦輪的液體總流量(輸入流量)； Hb單位重量液體在渦輪中消耗 的總能

26、量或總壓頭； 液體的重度。 由式 (3 7) 知，渦輪從液體獲得的理論轉(zhuǎn)矩為 Mt=QyHh=Qzugc1u-c2u 考慮到u=R，則渦輪的理論轉(zhuǎn)矩為 Mt=QzgRc1u-c2u (38) 式中 R渦輪的計算半徑，R=D2=D1+D24 ，見圖310。渦輪從液體獲得的理論功率（即液體消耗的總功率）為 Nh=Mt=Qzguc1u-c2u (39) 式(36)、(38)、(39)中c1u和c2u分別表示渦輪進(jìn)口與出口處的絕對速度c1和c2在圓周速度u方向的分速度。在上述各式討論中沒有考慮能量轉(zhuǎn)化過程中的損失，且都是根據(jù)一級渦輪討論的。當(dāng)液體的能量很大，則可連續(xù)地通過多級結(jié)構(gòu)相同的渦輪作功，使渦輪

27、鉆具主軸產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩和功率。當(dāng)通過每級渦輪的工作液體流量相等時，則多級渦輪的轉(zhuǎn)速與單級渦輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是相同的。由于各級中液體的流動條件相同，液體的壓力降也應(yīng)相等，所以各級所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和功率也是相等的。 多級渦輪的壓頭、轉(zhuǎn)矩和功率可分別由下列公式表示 (310) 式中K渦輪的級數(shù)。 第三節(jié) 渦輪鉆具的功率損失與效率 上面討論的Hb、Mt、Nb都是渦輪內(nèi)液體與渦輪之間的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，這種轉(zhuǎn)化是直接發(fā)生在液體與渦輪葉片之間。渦輪從液體獲得的轉(zhuǎn)矩、功率顯然不等于渦輪鉆具主軸上所能輸出的有效轉(zhuǎn)矩和功率。與其它水輪機樣，在渦輪的工作過程中，渦輪鉆具也存在三類損失：水力損失、容積損失和機械摩擦損失。 一、

28、水力損失 渦輪內(nèi)的水力損失hs可分為沖擊損失hch和摩擦損失hm兩類，即 hs=hch+hm (3-11) 沖擊損失是指進(jìn)入葉輪的液流方向與葉片結(jié)構(gòu)角不一致時，液流與葉片進(jìn)口端發(fā)生沖擊引起的能量損失。當(dāng)渦輪在無沖擊轉(zhuǎn)速nw下工作時，這項損失接近于零。當(dāng)渦輪的工作轉(zhuǎn)速大于或小于無沖擊轉(zhuǎn)速nw，沖擊損失都按拋物線規(guī)律增大，如圖314所示。 摩擦損失取決于葉片結(jié)構(gòu)、表面粗糙度和液體粘度等因素。為了減少摩擦損失，應(yīng)設(shè)計合理的葉片斷面形狀，降低葉片表面粗糙度。摩擦損失的大小與液體在流道中的速度大小有關(guān)，當(dāng)流量不變時，流道中的流速變化不大，此時，摩擦損失可視為常數(shù)，不隨渦輪的轉(zhuǎn)速而變，如圖314中的水平線

29、所示。 摩擦損失的數(shù)值一般很小，而沖擊損失在遠(yuǎn)離無沖擊工況時往往達(dá)到很大的數(shù)值，因而 圖 314 渦輪內(nèi)的水力損失 圖 315 渦輪中容積的損失hch是渦輪水力損失中的主要組成部分。 上述兩類水力損失同時產(chǎn)生在渦輪的定子和轉(zhuǎn)子中。由于水力損失的存在， 單位重量液體在渦輪中消耗的能量或消耗壓頭應(yīng)等于傳給渦輪的有效壓頭和水力損失之和，即 Hh=Hy+hs (312)渦輪鉆具的水力效率是有效壓頭和消耗壓頭之比，即 (313) 二 容積損失 如圖315所示，高壓液體通過渦輪的總流量Qz，大部分進(jìn)入渦輪流道作功，這部分流量稱為有效流量，以Qy表示。另外有一小部分流量Q竄過定子和轉(zhuǎn)子的徑向間隙而漏失，不參

30、加能量轉(zhuǎn)換。因此，流量是有效流量Qy與漏失量Q之和，即 Qz=Qy+Q (314) 渦輪鉆具的容積效率為有效流量與總流量之比，即 (315) 現(xiàn)有的渦輪鉆具，容積效率一般為09左右。 三、機械損失 渦輪鉆具必須通過主軸才能帶動鉆頭破碎巖石，而主軸又裝在止推軸承、中部軸承和下部軸承上，同時還有密封高壓液體的盤根裝置，因此，主軸在旋轉(zhuǎn)時要克服軸承和盤根的摩擦而耗費一定功率。另外，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時與液體之間也要發(fā)生摩擦而耗費一定功率。這樣，渦輪軸上實際輸出功率Nch比渦輪從液體獲得的有效功率Ny（或轉(zhuǎn)化功率）要少一個機械損失功率值Nj。渦輪鉆具的機械效率為輸出功率Nch與有效功率Ny之比，即 j=Nch

31、Ny=NchNch+Nj （3-16） 渦輪鉆具的輸人功率，即液體所消耗的功率Nh為 Nh=QzHh=PQz （317）式中 P高壓液體通過渦輪后的壓力降。 渦輪鉆具的總效率應(yīng)是輸出功率與輸入功率之比，即 =NchNh=NchNyNyNh=iQyHyQzHh=ivs （318） 可見，渦輪鉆具的總效率和其它水力機械一樣，等于這三種效率的乘積。其中，水力 效率和容積效率之乘積時液體能在渦輪內(nèi)轉(zhuǎn)化為機械能時的效率，即NyNh。稱這部分效率為有效效率或轉(zhuǎn)化效率，以y表示。它表示了渦輪本身結(jié)構(gòu)的完善程度。而機械效率則表示了渦輪鉆具機械傳動部分的完善程度，主要取決予軸承、密封盤根等處的結(jié)構(gòu)和裝配質(zhì)量。

32、第四節(jié) 渦輪鉆具的特性曲線 前面我們對渦輪鉆縣的轉(zhuǎn)矩、壓頭和功率的基本方程式及渦輪鉆具內(nèi)部的損失進(jìn)行了討論，從理論上知道了渦輪鉆具內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換和能量損失的內(nèi)在規(guī)律。渦輪鉆具的特性曲 線，就是上述內(nèi)部規(guī)律的外部體現(xiàn)。 渦輪鉆具的特性曲線就是在坐標(biāo)圖上用曲線來表示的渦輪鉆具主要技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系。具體的說，就是在一定排量下，渦輪的轉(zhuǎn)速與渦輪的壓頭、轉(zhuǎn)矩和功率之間的關(guān)系曲線。 渦輪鉆具的特性曲線，是正確選擇與合理使用渦輪鉆具的重要依據(jù)。圖 316 WZ255 渦輪鉆具的特性曲線液體流量Q=45Ls；重度=11760Nm3 渦輪鉆具的特性曲線，若是根據(jù)渦輪鉆具的基本方程計算出來的，稱為理論特性曲錢。一

33、般是通過實驗得出的，并附在產(chǎn)品說明書中，稱為實際特性曲線。圖316所示為 WZ一255型渦輪鉆具的特性曲線。Mn曲線是渦輪鉆具最主要的特性曲線，它表示渦輪鉆具主軸轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩（即外載）而變化的規(guī)律，近似于一條斜直線。渦輪的轉(zhuǎn)矩越大，則轉(zhuǎn)速越低，當(dāng)渦輪鉆具主軸上沒有負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值，此時渦輪為空轉(zhuǎn)工況。當(dāng)渦輪鉆具主軸上負(fù)荷增大時，渦輪轉(zhuǎn)速則降低，當(dāng)負(fù)荷增大到一定值時，渦輪主軸被制動不轉(zhuǎn)，即M為最大時，N=0。此時稱為制動工況。 Nchn、n曲線，表示渦輪主軸輸出功率及效率隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。兩條曲線均為拋物線。當(dāng)n=0或n=nmax時, Nch或都為零。拋物線的頂點為渦輪主軸輸出功率和效率的最大值，以Nmax、max表示。Nch=Nmax、=max時所對應(yīng)的渦輪軸轉(zhuǎn)速為最優(yōu)工況轉(zhuǎn)速，以nu表示。nu一般為空轉(zhuǎn)工況時的最大轉(zhuǎn)速nmax的一半。顯然，使用渦輪鉆具時盡可能在這個條件下工作。 Pn曲線，表示渦輪鉆具內(nèi)液體的壓力降與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。因為液體在渦輪中的壓力降p=Hh，可以把壓力降縮小一比例(重度為一常數(shù)).該曲線就可轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w消耗壓頭或理論壓頭與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。由圖可見，P或Hh基本上不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。 從特性曲線可見，渦輪鉆具主軸轉(zhuǎn)速的變化直接影響渦輪鉆具主要技術(shù)參數(shù)的變化，而 渦輪主軸上的轉(zhuǎn)速又取