Устройство и классификация турбин

Гидравлической турбиной называется гидравлический двигатель, служащий для преобразования энергии потока жидкости в механическую энергию вращения вала турбины.

Гидравлическая турбина состоит из двух основных частей: неподвижного направляющего аппарата - статора, придающего потоку жидкости вполне определенное направление, и вращающегося рабочего колеса - ротора, имеющего лопасти, воздействуя на которые поток жидкости передает свою энергию, приводя ротор во вращение.

Помимо этих частей турбина имеет регулирующее устройство, чтобы поддерживать определенный режим работы турбины, отсасывающую трубу для отвода жидкости из турбины.

Гидравлическая турбина состоит из двух основных частей: неподвижного направляющего аппарата - статора, придающего потоку жидкости вполне определенное направление, и вращающегося рабочего колеса - ротора, имеющего лопасти, воздействуя на которые поток жидкости передает свою энергию, приводя ротор во вращение.

Помимо этих частей турбина имеет регулирующее устройство, чтобы поддерживать определенный режим работы турбины, отсасывающую трубу для отвода жидкости из турбины.

Представим принципиальную схему турбины (рисунок 8.1), она имеет основные части: вращающий ротор с лопатками 1, неподвижный лопаточный статор 2, отсасывающую трубу 3 и вал 4.

Рисунок 8.1

Рассмотрим некоторые принципы классификации гидравлических турбин:

1 По направлению движения жидкости в роторе турбины бывают:
радиальные (рисунки 8.2 и 8.3), радиально-осевые, осевые и тангенциальные.

Рисунок 8.2

На рисунке 8.2 представлена схема гидравлической турбины с внешним подводом жидкости центростремительная турбина Френсиса. Она состоит из статора 1, ротора 2, вала 3 и подводящего канала 4.

Рисунок 8.3

На рисунке 8.3 изображена гидравлическая турбина с внутренним подводом жидкости - центробежная турбина Сафонова. Она имеет статор 1, ротор 2, вал 3 и подводящий канал 4.

Радиально-осевые и осевые турбины представлены на рисунке 8.4 и 8.5, они имеют статор 1, ротор 2 и вал 3.

Рисунок 8.4 Рисунок 8.5

Радиально-осевые турбины обеспечивают изменение направления
потока в роторе турбины с радиального на осевое. В осевых турбинах ротор
имеет лопасти, направляющие поток параллельно оси вала.

Рисунок 8.6

Тангенциальная турбина Пелтона (рисунок 8.6) имеет ротор с ковшами 1, сопло 2, представляющие направляющие аппарат, вал 3, с которого снимается мощность.

2 По положению в жидкости турбины делят на погружные и непогружные. Все турбины работают погруженные в жидкость, за исключением тангенциальных.

3 По характеру преобразования энергии турбины бывают активные
и реактивные.

Активной турбиной называется турбина, в которой при постоянном
давлении (атмосферном) происходит преобразование кинетической
энергии в механическую вращения ротора.

Если составить уравнения удельной энергии при входе и выходе потока жидкости из рабочего колеса (ротора), то получим:

на входе: ;

на выходе: .

Напор, срабатываемый в турбине составит Н=Н1-Н2. Следовательно, гидравлическая энергия, преобразуемая в турбине в механическую, состоит из удельной потенциальной энергии

и кинетической:

Для активной турбины (р = const) удельная потенциальная энергия равна нулю, т.е. срабатываемый напор представляет удельную кинетическую энергию

Н=Н_ДИН.

Реактивные двигатели - это турбины, в которых давление на входе р1 больше давления на выходе р2, т.е. уменьшение давления вызывает ускорение движения потока, что приведет к появлению реактивного воздействия потока на лопасти, приводя во вращение вал турбины.

4 По числу ступеней гидравлические турбины бывают:
одноступенчатые (одна ступень состоит из ротора и статора) и
многоступенчатая, рабочая жидкость движется последовательно через ряд
ступеней.

Турбина турбобура

Турбобур - гидравлический двигатель, который предназначен для привода в действие долота, разрушающего породу на забое скважин.

Технологические условия бурения определяют требования,
предъявляемые к турбобуру:

1 Ограниченные радиальные размеры турбин. Турбобур размещается в скважинах диаметром 100¸200мм.

2 Большие крутящие моменты. Для разрушения пород требуется
200-400 кгМ.

3 Ограниченное число оборотов турбины. Долото эффективно работает при числах оборотов не более 500-700 в мин.

4 Возможность работы при подаче абразивной жидкости. К турбобуру подается буровой раствор.

5 Работа турбин происходит при переменных нагрузках.

Наиболее распространенная схема турбобура – это многоступенчатая осевая турбина (до 350 ступеней).

Рассмотрим одну ступень турбобура (рисунок 8.7)

Рисунок 8.7

Одна ступень турбобура (рисунок 8.7) состоит из двух лопаточных
систем - статора (неподвижная часть) и ротора, вращающегося вместе с
валом. Основные размеры ступени D - средний диаметр турбины, - длина
лопатки по радиусу.

Так как турбины турбобуров осевые, то, если рассечь ступень
цилиндрической поверхностью радиусом относительно оси турбины
по лопаткам и развернуть сечение на плоскость, получается плоская
прямая решетка профилей, как показано на рисунке 8.8.

Рисунок 8.8

Решетка состоит из z - профилей по числу лопаток. Каждый профиль имеет среднюю линию, происходящую через центры вписанных в профиль окружностей и хорду , соединяющую крайние точки профиля по вогнутой стороне.

Линия, соединяющая одинаковые точки профилей на входе и выходе потока, называется фронтом решетки (ось решетки). Расстояние по фронту между соответствующими точками соседних профилей называется шагом решетки (z - число профилей, - радиус по фронту - радиус развернутой цилиндрической поверхности). Расстояние по нормали между фронтами (осевая высота профиля) носит название «ширина решетки S». Если обозначить элементы статора индексом «С», а ротора - «Р», то ширина профилей ступени турбины турбобура равна

где - осевой зазор после статора «С» и ротора «Р».

Углы профиля - это углы между касательными к средней линии и фронтом решетки; они обозначаются , для ротора и , - для статора.