 |
Основные параметры гидродвигателей
|
|
|
|
1) частота вращения вала n (или угловая скорость 
);
2) крутящий момент М, Н·м;
3) мощность двигателя, Вт
;
4) перепад полного (статического и динамического) давления, Па
,
где обозначения те же, что и для насосов;
5) гидравлическая мощность гидродвигателя
;
6) к.п.д. гидродвигателя
.
ЛЕКЦИЯ № 2
Динамические гидравлические машины
К ним относятся: турбобуры, центробежные, вихревые, осевые насосы, гидродинамические муфты и турботрансформаторы. Рассмотрим принцип действия и основные расчётные формулы для каждого из них.
Турбобуры
Назначение и конструкция
Предназначены для вращения долота при бурении скважины без вращения бурильной колонны. Представляют собой многоступенчатую (до 100 ступеней) гидромашину (рис. 2.1).
Рис. 2.1 – Односекционный турбобур
1, 24 – переводники; 2 – втулка корпуса; 3 – корпус; 4 – контргайка;
5 – колпак; 6 – роторная гайка; 7, 10 – диски пяты; 8 – подпятник; 9 – кольцо пяты; 11, 17 – регулировочные кольца; 12, I8 – уплотнительные кольца;
13 – статор; 14 – ротор; 15 – втулка средней опоры; 16 – средняя опора;
19 – упор; 20 – шпонка; 21 – втулка нижней опоры; 22 – ниппель; 23 – вал
Каждая ступень турбины состоит из двух лопаточных систем: статора и ротора. Буровой раствор проходит через каждую ступень и создаёт крутящий момент ротору относительно статора. Крутящие моменты ступеней складываются, создавая общий крутящий момент турбобура.
Кинематика движения жидкости в турбобуре
Разрез статора и ротора представлен на рис. 2.2.
Рис. 2.2 – Разрез ротора и статора
1 – вал; 2 – ротор; 3 – лопасти; 4 – статор; 5 – корпус
При конструировании турбобуров рассматривается только безударный режим входа жидкости. Треугольники скоростей на входе и выходе из турбины представлены на рис. 2.3.
|
|
|
Рис. 2.3 – Треугольники скоростей при безударном режиме
Вектор относительной скорости обтекания лопаток определяется как
,
где с – абсолютная скорость жидкости,
u – окружная скорость жидкости.
При безударном режиме: α1 = β2; α2 = β1; c1 = w2; c2 = w1. Безударные входы в ротор и статор достигаются при равенстве
.
Осевая составляющая скорости определяется по формуле
,
где Q – расход через турбину;
F – площадь кольцевого сечения;
,
D – средний диаметр,
ι – ширина проходного канала.
Основные параметры турбобуров определяются по формулам:
· скорость вращения вала, об/мин
где ηо – объёмный к.п.д.,
χ – коэффициент стеснения проточной части,
l – ширина канала;
Q – подача бурового насоса.
· напор турбобура, м
,
где к – количество ступеней турбины,
g – ускорение свободного падения,
ηг – гидравлический к.п.д.;
D – средний диаметр канала.
· мощность турбобура, Вт
,
где ηм – механический к.п.д.
· крутящий момент турбобура, Н·м
.
Кинематические коэффициенты турбин определяются по формулам:
· коэффициент осевой скорости
,
причём, чем > σz, тем < скорости движения жидкости;
· коэффициент активности турбин
,
причём, в основном используются турбины с σа = 0,5;
при σа > 0,5 турбины активные, при σа < 0,5 – реактивные;
· коэффициент циркуляции
,
где ω – угловая скорость.
Центробежные насосы
Центробежные насосы относятся к динамическим гидромашинам. Конструктивная схема 1-о ступенчатого центробежного насоса показана на рис. 2.4. Центробежные насосы не обладают способностью самовсасывания, поэтому перед пуском их следует заполнять жидкостью. Они весьма разнообразны по конструктивному исполнению и назначению.
Абсолютная скорость движения в векторной форме имеет вид
|
|
|
где 
- абсолютная скорость жидкости относительно корпуса насоса, м/с;
Рис. 2.4 – Схема 1-о ступенчатого центробежного насоса
1 – вход жидкости; 2 – всасывающий патрубок; 3 – корпус насоса; 4 – рабочее колесо; 5 – сальник вала; 6 – вал; 7 – лопасти; 8 – напорный патрубок; 9 – выход жидкости
- относительная скорость движения жидкости, м/с;
- переносная (окружная) скорость движения жидкости, м/с.
Переносная скорость определяется по формуле
где w - угловая скорость вращения вала, 1/с;
r – расстояние от оси вала до частицы жидкости, м;
n – скорость вращения вала, об/мин.
Относительная скорость w определяется по формуле
где Qк – объём жидкости, проходящей через каналы рабочего колеса, м3/с;
F – площадь проходного сечения каналов рабочего колеса, м2.
Основные параметры рабочего колеса, планы и треугольники скоростей приведены на рис. 2.5.
b2 с2 u2
a2 b1
w w1
b1 w2
b 2 c1
D2 D1 w d2 u1 a1
а)
w2 c2
c2m w1 c1
c1m
b2 b1a1
a2
u2 u1 c1u
c2u
б)
Рис. 2.5 – Скорости движения жидкости в центробежном насосе
а) – схема рабочего колеса и планы скоростей; б) – треугольники скоростей
Мериадиальные составляющие абсолютных скоростей с1m и с2m определяются по формулам
,
где F1 и F2 – площади проходного сечения канала рабочего колеса соответственно на входе и выходе из него, м2.
где D1, D2 – соответственно внутренний и наружный диаметры рабочего колеса;
b1, b2 – ширина канала соответственно на входе и выходе;
d2 – толщина лопасти по срезу; 
z – число лопастей.
ЛЕКЦИЯ № 3
1. Теоретический напор центробежного насоса
Определяется по уравнению Эйлера
При безударном входе, когда с1u = 0
Напор реального насоса определяется по формуле
,
где hг – гидравлический коэффициент полезного действия.
Реальная подача определяется по формуле
,
где hо – объёмный коэффициент полезного действия;
y - коэффициент стеснения потока;
где z – число лопастей.
Полезная или гидравлическая мощность определяется по формуле
где r - плотность жидкости, кг/м3;
Н – напор, м;
Dр – перепад давления на входе и выходе из насоса, Па;
Приводная мощность двигателя определяется по формуле
,
где h - полный коэффициент полезного действия.
Вихревые насосы
|
|
|
Рабочим органом является рабочее колесо с радиальными или наклонными лопатками, помещёнными в цилиндрический корпус с малыми зазорами (рис. 3.1).
Рис. 3.1 – Схема закрыто-вихревого насоса
1 – рабочее колесо; 2 – кольцевой канал; 3 – напорный патрубок; 4 – перемычка; 5 – всасывающий патрубок
В боковых стенках корпуса по периферии имеется концентричный канал, начинающийся у всасывающего патрубка и заканчивающийся у напорного. Канал прерывается перемычкой, служащей уплотнением между напорной и всасывающей полостями. В канале возникает продольный вихрь (рис. 3.2).
Рис. 3.2 – Продольный вихрь
При смешении жидкостей происходит интенсивное вихреобразование, возрастание давления вдоль канала. Поэтому напор вихревых насосовв 3…9 раз больше, чем у центробежных при тех же параметрах. Вихревые насосы обладают способностью самовсасывани я, т.к. жидкость остаётся после остановки насоса в кольцевом канале. Многие из них могут работать на смеси жидкости и газа. Недостатком является низкий к.п.д. (η) – 35…38 %. Эти насосы непригодны для перекачки жидкостей содержащих абразивные частицы. Применяются они при мощностях (N) до 25 кВт, при напоре (Н) до 250 м, при подачах (Q) до 12 л/с. Коэффициент быстро-
ходности ns = 4 ÷ 40. Насосы бывают закрыто- и открыто- вихревые.
Осевые насосы
В осевом насосе жидкость движется вдоль оси насоса (рис. 3.3). 
Рис. 3.4 – Схема осевого насоса
1 – вход жидкости; 2 – корпус; 3 – рабочее колесо; 4 – направляющий
аппарат; 5 – вал; 6 – выход жидкости
Окружные скорости равны u1 = u2 = u. Теоретический напор определяется по формуле
.
Осевые насосы отличаются большими Q при малых Н. К.п.д. их достигает 0,9. Диаметры насоса, как правило, не отличаются от диаметров всасывающей трубы. Они применяются: в шлюзовых хозяйствах на каналах; при заполнении, сливе танкеров, железнодорожных цистерн и т.д.
|
|
|
