§ 4.1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.

Турбобур, предназначенный для вращения долота при бурении скважин, представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, приводимую в движение потоком промывочной жидкости от бурового насоса.

В статоре поток жидкости подготовляется для работы в роторе: скорость с₀ увеличивается до с± и изменяет направление. В каналах ротора, лопасти которого наклонены к лопастям

Рис. 4.1. Ступень турбины: / — вал; 2 — ступень ротора;

3 — лопасти; 4 — ступень статора; 5 — корпус турбобура

статора в противоположном направлении, скорость восстанавливается по величине и направлению (с₂= c_a).Затем жидкость входит в следующую ступень, где процесс повторяется.

При изменении скорости в межлопастных каналах (и соответствующего импульса потока) возникает сила, с которой поток действует на лопасти, суммируясь во всех ступенях в виде общего крутящего момента. Крутящий момент в статоре воспринимается корпусом турбобура, жестко связанным с бурильными трубами. Равный, но противоположно направленный крутящий момент, действующий в роторе, через вал турбобура передается долоту.

В отличие от других гидравлических турбин, применяемых главным образом для вращения вала электрогенератора и выполняемых, как правило, одноступенчатыми, турбобур, подобно газовым и паровым турбинам, является многоступенчатым. Это объясняется тем, что ограничены значения трех следующих факторов, от которых в прямой зависимости находится крутящий момент:

1) расход жидкости, назначаемый по условиям технологии бурения, не может быть увеличен из-за чрезмерного возрастания давления в циркуляционной системе и на выкиде бурового насоса;

2) диаметр турбины ограничен размером ствола скважины;

3) частота вращения вала турбины, жестко связанного с долотом, задается режимом буния применительно к типу используемых долот и не может быть произвольно увеличена.

Большое число ступеней турбины позволяет при ее малом диаметре (100 - 250 мм), сравни­тельно малом расходе жидкости (до 50 л/с) и частоте вращения вала 5 - 15 об/с создать высокий (до 4 кНм) крутящий момент. В разных моделях турбобуров применяется от 100 до 350 ступеней. При большом числе ступеней значительно увеличивается длина турбобура. Такие турбобуры для удобства изготовления и монтажа выполняют из двух - трех секций.

По направлению течения жидкости в лопастных системах турбобур относится к прямоточ­ным турбинам. Как в статоре, так и в роторе жидкость движется вдоль оси турбины, не приближаясь к ней и не удаляясь от нее. Для сравнения укажем, что на гидроэлектростан­циях применяют также радиальные, осевые, радиально-осевые и тангенциальные турбины, название которых указывает направление движения жидкости в лопастном аппарате ротора. Их устройство приспособлено к различному характеру питания турбины естественными водными потоками.

Устройство односекционного турбобура показано на рис. 4.2. Он состоит из деталей двух систем: вращающейся - ротора и невращающейся - статора. К ротору относятся вал с насаженными на нем рабочими колесами, вращающимися частями опор и крепежными деталями. Систему статора составляют корпус с переводником, направляющие колеса, неподвижные части опор и ниппель. Крепление деталей на валу и в статоре - силами трения, действующими по торцам деталей при затяжке резьбовых соединений роторной гайки и ниппеля. Ротор фиксируется относительно статора при помощи осевой и радиальных опор. Для регулировки взаимного положения лопастных систем ротора и статора служит кольцо 11,расположенное между статором и подпятником.

Рис 4.2. Односекционный турбобур:

1и 24 -переводники; 2 - втулка корпуса; 3 - корпус; 4 - контргайка; 5 - колпак;

6 - роторная гайка; 7 и 10 - диски пяты; 8 - подпятник; 9 - кольцо пяты; 11 и 17- регулировочные кольца; 12и 18 - 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