第3章渦輪機(jī)學(xué)習(xí)要求：（（1）掌握渦輪機(jī)的工作原理；（2）掌握渦輪鉆具的基本構(gòu)造；（3）掌握渦輪內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；（4）掌握渦輪內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律—渦輪的基本方程式；（5）掌握渦輪鉆具的特性曲線；（6）了解流水輪機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史；課程安排：理論2學(xué)時(shí)；3.1概述

水泵可以有“渦輪機(jī)工況”，說(shuō)明渦輪機(jī)和水泵的工作機(jī)理本質(zhì)上都是葉輪機(jī)械在不同工況下的兩種不同功-能轉(zhuǎn)換形式而已，它們可以用相同的基本方程式加以數(shù)學(xué)描述。渦輪機(jī)技術(shù)在石油鉆井工程、井下動(dòng)力發(fā)電、水力發(fā)電等行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。3.1.1渦輪機(jī)的工作原理

渦輪機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，它的作用是把液體能變?yōu)橹鬏S上的機(jī)械能。渦輪機(jī)的工作原理如圖3-1所示第3章渦輪機(jī)

可以通過增加渦輪的級(jí)數(shù)，提高渦輪機(jī)的功率、增大扭矩。

為了使上一級(jí)流出的液體在進(jìn)入下一級(jí)工作輪前就具有一定的方向和動(dòng)能，必須在工作輪前裝一個(gè)固定不轉(zhuǎn)的導(dǎo)流裝置（定子），它的作用是把液體的部分壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并把液體引導(dǎo)到一定的方向。而工作輪（或轉(zhuǎn)子）的作用則是把液體能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。3.1概述3.2渦輪鉆具的典型結(jié)構(gòu)

渦輪鉆具是一種結(jié)構(gòu)比較特殊的井下動(dòng)力鉆具，它由鉆井泵輸出的高壓鉆井液來(lái)驅(qū)動(dòng)。渦輪鉆具中的渦輪與地面渦輪相比，其最主要的特點(diǎn)是：（1）地面渦輪機(jī)的外廓尺寸不受限制，可以根據(jù)渦輪機(jī)功率的大小而定，因而一般都做成單級(jí)的形式，即只具有一個(gè)導(dǎo)流裝置和一個(gè)工作輪。而渦輪鉆具渦輪機(jī)的外廓尺寸則受到井徑的嚴(yán)格限制，所能通過的液體流量（即鉆井泵的流量）也不大。要使渦輪鉆具軸上產(chǎn)生較大的功率，就必須采用多級(jí)渦輪的形式，其級(jí)數(shù)往往多達(dá)一二百級(jí)以上。第3章渦輪機(jī)圖3-3所示為單式渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)示意圖（2）渦輪鉆具中所通過的工作液體是鉆井液，粘度大，磨礪性固體顆粒含量較高，對(duì)于渦輪及渦輪鉆具中的其他零部件損害大，因此，渦輪鉆具中的渦輪和其他零部件結(jié)構(gòu)都必須能適應(yīng)這種惡劣的工作環(huán)境。3.2渦輪鉆具的典型結(jié)構(gòu)3.2渦輪鉆具的典型結(jié)構(gòu)3.3渦輪鉆具的基本工作理論第3章渦輪機(jī)3.3.1渦輪內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)

通過渦輪的液體，是在直徑為D1和D2的兩個(gè)同軸圓柱面間運(yùn)動(dòng)，見圖3-9。

軸流渦輪中，每個(gè)圓柱的液體離旋轉(zhuǎn)中心的距離不同，它的運(yùn)動(dòng)速度及與渦輪葉片的作用也不相同。為簡(jiǎn)化研究，選一個(gè)直徑為D的圓柱層作為計(jì)算直徑，在此直徑上液流的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于所有圓柱層液流的平均運(yùn)動(dòng)。按此直徑上的液流平均速度計(jì)算出渦輪的性能參數(shù)，與考慮各圓柱層液流的特點(diǎn)后的渦輪性能參數(shù)相同。

用一直徑為D的圓柱面為截面，通過渦輪的平均直徑，將截面拉直展開成平面，就可將渦輪葉片的斷面表示出來(lái)，液流繞平均直徑為D的圓柱面流動(dòng)，就變?yōu)槠矫孢\(yùn)動(dòng)。如圖3-10所示。轉(zhuǎn)子速度三角形分析3.3渦輪鉆具的基本工作理論

3.3.2渦輪內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律—渦輪的基本方程式

將液體在葉輪進(jìn)口及出口處的能量交換一下，即可將葉片泵的基本方程式（2-8）改為渦輪的基本方程式，即

對(duì)于軸流渦輪（見圖3-10）

把渦輪獲得的機(jī)械能和液體傳給渦輪的液體能聯(lián)系起來(lái)，不考慮能量轉(zhuǎn)化過程中的損失，從能量守恒可知

渦輪從液體獲得的理論轉(zhuǎn)矩為3.3渦輪鉆具的基本工作理論

渦輪從液體獲得的理論功率（即液體消耗的總功率）為

多級(jí)渦輪的壓頭、轉(zhuǎn)矩和功率可分別由下列公式表示

3.3渦輪鉆具的基本工作理論3.3.3渦輪鉆具的功率損失與效率

與其它流體機(jī)械一樣，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(jī)械、摩擦損失。

1.水力損失

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

渦輪鉆具的水力效率是有效壓頭和消耗壓頭之比，即

3.3渦輪鉆具的基本工作理論2.容積效率

渦輪鉆具的容積效率為有效流量與總流量之比，即

現(xiàn)有渦輪鉆具，容積效率一般為0.9左右。

3.3渦輪鉆具的基本工作理論3.機(jī)械損失

渦輪鉆具的總效率應(yīng)是輸出功率與輸入功率之比，即

可見，渦輪鉆具的總效率和其它流體機(jī)械一樣，等于這三種效率的乘積。

3.3渦輪鉆具的基本工作理論3.3.4渦輪鉆具的特性曲線

特性曲線：在一定流量下，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，如圖所示。

n—M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。

3.3渦輪鉆具的基本工作理論

3.3渦輪鉆具的基本工作理論3.4.1水輪機(jī)工作原理