《流体机械》课件第3章 涡轮机.pptx

1、第第3 3章章 涡轮机涡轮机（1）掌握涡轮机的工作原理；（2）掌握涡轮钻具的基本构造；（3）掌握涡轮内液体的运动规律；（4）掌握涡轮内的能量转化规律涡轮的基本方程式；（5）掌握涡轮钻具的特性曲线；（6）了解流水轮机的发展简史；理论2学时；3.1 概 述 水泵可以有“涡轮机工况”，说明涡轮机和水泵的工作机理本质上都是叶轮机械在不同工况下的两种不同功-能转换形式而已，它们可以用相同的基本方程式加以数学描述。涡轮机技术在石油钻井工程、井下动力发电、水力发电等行业已经得到广泛应用。涡轮机主要由定子和转子组成，它的作用是把液体能变为主轴上的机械能。涡轮机的工作原理如图3-1所示第3章 涡轮机 可以通过增

2、加涡轮的级数，提高涡轮机的功率、增大扭矩。为了使上一级流出的液体在进入下一级工作轮前就具有一定的方向和动能，必须在工作轮前装一个固定不转的导流装置（定子），它的作用是把液体的部分压能转化为动能，并把液体引导到一定的方向。而工作轮（或转子）的作用则是把液体能转化为机械能。3.1 概 述3.2涡轮钻具的典型结构 涡轮钻具是一种结构比较特殊的井下动力钻具，它由钻井泵输出的高压钻井液来驱动。涡轮钻具中的涡轮与地面涡轮相比，其最主要的特点是：（1）地面涡轮机的外廓尺寸不受限制，可以根据涡轮机功率的大小而定，因而一般都做成单级的形式，即只具有一个导流装置和一个工作轮。而涡轮钻具涡轮机的外廓尺寸则受到井径的

3、严格限制，所能通过的液体流量（即钻井泵的流量）也不大。要使涡轮钻具轴上产生较大的功率，就必须采用多级涡轮的形式，其级数往往多达一二百级以上。第3章 涡轮机图3-3所示为单式涡轮钻具的结构示意图（2）涡轮钻具中所通过的工作液体是钻井液，粘度大，磨砺性固体颗粒含量较高，对于涡轮及涡轮钻具中的其他零部件损害大，因此，涡轮钻具中的涡轮和其他零部件结构都必须能适应这种恶劣的工作环境。3.2涡轮钻具的典型结构3.2涡轮钻具的典型结构3.3涡轮钻具的基本工作理论第第3 3章章 涡轮机涡轮机3.3.1涡轮内液体的运动 通过涡轮的液体，是在直径为D1和D2的两个同轴圆柱面间运动，见图3-9。轴流涡轮中，每个圆柱

4、的液体离旋转中心的距离不同，它的运动速度及与涡轮叶片的作用也不相同。为简化研究，选一个直径为D的圆柱层作为计算直径计算直径，在此直径上液流的运动相当于所有圆柱层液流的平均运动。按此直径上的液流平均速度计算出涡轮的性能参数，与考虑各圆柱层液流的特点后的涡轮性能参数相同。用一直径为D的圆柱面为截面，通过涡轮的平均直径，将截面拉直展开成平面，就可将涡轮叶片的断面表示出来，液流绕平均直径为D的圆柱面流动，就变为平面运动。如图3-10所示。3.3涡轮钻具的基本工作理论3.3.2涡轮内的能量转化规律涡轮的基本方程式 将液体在叶轮进口及出口处的能量交换一下，即可将叶片泵的基本方程式（2-8）改为涡轮的基本方

5、程式，即 对于轴流涡轮（见图3-10）把涡轮获得的机械能和液体传给涡轮的液体能联系起来，不考虑能量转化过程中的损失，从能量守恒可知 涡轮从液体获得的理论转矩为 3.3涡轮钻具的基本工作理论涡轮从液体获得的理论功率（即液体消耗的总功率）为 多级涡轮的压头、转矩和功率可分别由下列公式表示 3.3涡轮钻具的基本工作理论3.3.3涡轮钻具的功率损失与效率 与其它流体机械一样，在涡轮的工作过程中，涡轮钻具也存在三类损失：水力损失、容积损失和机械、摩擦损失。1.水力损失 由于水力损失的存在，单位重量液体在涡轮中消耗的能量或消耗压头应等于传给涡轮的有效压头和水力损失之和，即 涡轮钻具的水力效率是有效压头和消

6、耗压头之比，即 3.3涡轮钻具的基本工作理论2.容积效率涡轮钻具的容积效率为有效流量与总流量之比，即 现有涡轮钻具，容积效率一般为0.9左右。3.3涡轮钻具的基本工作理论3.机械损失涡轮钻具的总效率应是输出功率与输入功率之比，即 可见，涡轮钻具的总效率和其它流体机械一样，等于这三种效率的乘积。3.3涡轮钻具的基本工作理论3.3.4涡轮钻具的特性曲线 特性曲线：在一定流量下，涡轮的转速与涡轮的压头、转矩和功率之间的关系曲线，如图所示。nM曲线是涡轮钻具最主要的特性曲线，它表示涡轮钻具主轴转速随转矩（即外载）而变化的规律，近似于一条斜直线。3.3涡轮钻具的基本工作理论3.3涡轮钻具的基本工作理论3.4.1 水轮机工作原理 现代水轮机是直接利用在河流上通过筑坝，抬高上游水位，形成水库而积聚起来的上游来流的位能而工作的，它较之仅能依靠奔腾而至，能质较低的水流动能来推动作功的古代水车，具有高不可比的水力资源利用率。3.3涡轮钻具的基本工作理论