Мощность и КПД турбин турбобура

Баланс энергии в турбобуре можно представить графически (см. рисунок 8.16), и тогда очевидно, что вся гидравлическая мощность потока, входящего в турбины, расходуется на создание эффективной (полезной) мощности на валу турбин, которая непосредственно используется исполнительной машиной (например, долотом при бурении скважин), и на потери мощности, связанные с гидравлическими сопротивлениями при движении потока через лопастные системы статора и ротора, механические потери на трение контактирующих деталей (опор, уплотнений, дискового трения), а также затраты энергии за счет внутренних перетоков в зазорах между статором и ротором (рисунок 8.18).

Баланс мощности следующий:

Мощность потока жидкости составляет - подача насоса, м³/с.

Рисунок 8.18

Эффективная мощность на валу турбин зависит от нагрузки и составляет

где М-момент на валу, нм;

n- число оборотов, I/с.

Анализируя эффективную мощность в зависимости от нагрузки и

числа оборотов вала, получаем: при п=0 эффективная мощность N_эф =0; при отсутствии нагрузки на валу М=0, число оборотов п_тах , а мощность N_эф=0.

Для определения максимума эффективной мощности представим
эффективную мощность в следующем виде:

тогда ,

.

Полученному значению соответствует максимальная мощность.

Рисунок 8.19

Графическая зависимость (рисунок 8.19) представляет собой параболу, максимум которой сдвинут от начала координат на расстояние по оси абсцисс. Для большинства турбин турбобуров = .

Рассмотрим потери мощности в турбинах. Их можно разделить:

1) на потери, связанные с различными гидравлическими явлениями, т.е. потери на гидравлические сопротивления, утечки, дисковое трение, которое можно определить при безударном режиме; они сохраняются при всех режимах работы турбин, но легче выявляются при безударном режиме и оцениваются в долях от максимальной эффективной мощности (примерно 0,2¸0,4 N_{эф max});

2) потери, связанные с отклонением режима работы турбин от безударного, когда создается несоответствие углов профиля лопаток и углов, определяющих течение тока.

Эти потери называются потерями на удар.

На основе опытных данных их можно определить по формуле

b_1,2 - коэффициент потерь, который имеет различное значение при
отклонении окружных скоростей от безударного режима:

,

U, U₆- окружные скорости при любых режимах работы и при
безударном режиме.

Выполним некоторые преобразования в формуле потери
мощности на удар:

Тогда

Формула мощности на удар принимает вид:

Графическое представление о балансе мощности для турбин дает
рисунок 8.20.

Рисунок 8.20

Следует иметь в виду, что вид кривых будет зависеть от коэффициентов решетки.
Коэффициент полезного действия турбин - это отношение эффективной мощности на валу к гидравлической мощности, подводимой с потоком к турбине:

В кривых КПД также будет зависеть от коэффициентов решетки профилей и графически представлять параболическую зависимость от числа оборотов (рисунок 8-21).

Рисунок 8.21