第三章蝸輪機械

第三章蝸輪機械第三章蝸輪機械/第三章蝸輪機械第三章渦輪機械第一節(jié)概述渦輪鉆具是一種結(jié)構(gòu)比較特殊的井下動力鉆具，它由鉆井泵打出的高壓鉆井液來驅(qū)動。渦輪鉆具鉆井及轉(zhuǎn)盤鉆井相比，主要優(yōu)點是：將能量集中在井底驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)以破碎巖石，此機械鉆速較高；鉆井時鉆桿不轉(zhuǎn)動，減少了鉆桿的磨損和斷裂事故，延長了鉆桿的使用壽命，特別適合于打定向井、叢式井以及進行修井、側(cè)鉆等特殊作業(yè)。渦輪鉆具在前蘇聯(lián)一直作為主要的鉆井工具，鉆井總進尺占80%以上。長期以來，渦輪鉆具主要是配用牙輪鉆頭打井，存在著渦輪鉆具轉(zhuǎn)速高，牙輪鉆頭壽命短、進尺少，及其像膠一金屬推力軸承工作壽命不長等缺點；但隨著高轉(zhuǎn)速、低鉆壓聚晶金剛石復(fù)合片PDC鉆頭的推廣應(yīng)用，隨鉆測量技術(shù)的普及，以及各種新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，渦輪鉆具在石油、天然氣鉆井工程中將會發(fā)揮越來越大的作用。一、渦輪的工作原理渦輪鉆具是接在鉆桿的下端，隨鉆桿一起下到井底的一種井底動力鉆具。渦輪鉆具中的渦輪，是把液體能（主要是動能及部分壓能）變?yōu)闇u輪軸上的機械能，從而帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖石。渦輪鉆具是一種特殊結(jié)構(gòu)的水渦輪，它的作用原理和地面上的一般水渦輪相同，可用下面簡單的例子說明，如圖3-1所示。圖3-1在軸上旋轉(zhuǎn)的漏斗漏斗A可繞0102軸旋轉(zhuǎn)，將液體從漏斗上部灌入，下部噴出，噴出的速度大小和方向及進口不同。液流進出口動量矩的變化，使漏斗中的液體受一力矩。該液體以大小相等方向相反的力矩作用在漏斗上，使漏斗沿箭頭所示方向轉(zhuǎn)動。如把幾個漏斗沿0102軸的圓周放置，成一整體就構(gòu)成了渦輪，即可帶動0102軸旋轉(zhuǎn)作機械功?？梢娨孤┹嗇S作機械功，必須使液流在進入工作輪前具有一定的方向和速度，因此，液流在進入工作輪前應(yīng)通過一個導(dǎo)向裝置。在渦輪的導(dǎo)向裝置（或定子）中，只發(fā)生液體能形式的改變，把部分壓能轉(zhuǎn)換為動力能，并把液流引導(dǎo)一定方向。而工作輪（或渦輪轉(zhuǎn)子）中，發(fā)生液體能轉(zhuǎn)換成機械能的過程，并帶動渦輪軸旋轉(zhuǎn)，對外作機械功。圖3-1在軸上旋轉(zhuǎn)的漏斗鉆井用的渦輪鉆具，在工作條件和結(jié)構(gòu)方面都及地面的水渦輪有很大區(qū)別。它及地面水渦輪相比，其特點是：地面水渦輪的外殼尺寸大小不受限制，可根據(jù)渦輪功率的大小而定，而且都是單級的，即只有一個導(dǎo)向輪和一個工作輪。而渦輪鉆具的外殼尺寸則受到井眼直徑的嚴格限制。所能通過的流量(即鉆井泵的排量)也不大，因而使渦輪鉆具軸上產(chǎn)生較大的功率，就必須采用多級渦輪，其級數(shù)多達一、二百級以上。渦輪鉆具中所用的工作液體是泥漿，粘度太、含砂多，對渦輪具的零部件危害很大，因而它的零部件必須能適應(yīng)這種惡劣的工作條件。二渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)為了滿足鉆井工藝的要求，目前在國內(nèi)外發(fā)展了許多類型的渦輪鉆縣，但基本結(jié)構(gòu)差別不大。下面介紹我國常用的渦輪鉆具的典型結(jié)構(gòu)。圖3—2單式渦輪鉆具結(jié)構(gòu)示意圖大小頭；2一壓緊螺帽；3一軸b承座；4—軸承盤；5—支承環(huán)6—調(diào)節(jié)環(huán)；7—定子；8—轉(zhuǎn)子；9—中鈾承；10一下軸承；11—主軸圖5—2WZ—255渦輪鉆具結(jié)構(gòu)l一大小頭；2—外殼；3—防松螺母；4—鎖緊墊圈；5—帽罩；6—支撐套筒；7—轉(zhuǎn)子螺母；8—支承盤；9—支承環(huán)；10—止推軸承；11—調(diào)節(jié)環(huán)；12—定子；13一軸，14—轉(zhuǎn)子；15一銷；16—中軸承套，17一中軸承；18一撐套；19—下部短節(jié)；20—下部軸承套，2l—鍵；22——軸接頭1．單式渦輪鉆具現(xiàn)以國產(chǎn)WZ一215型單式渦輪鉆具為例，介紹渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)。圖3—2為渦輪鉆具結(jié)構(gòu)示意圖，圖3—3為WZ一215型渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)圖。圖5—4渦輪定子和轉(zhuǎn)子（a）結(jié)構(gòu)圖（b）渦輪的軸側(cè)圖渦輪鉆具的主要部件是渦輪，每一級渦輪由一個定子和一個轉(zhuǎn)子組成，如圖3圖5—4渦輪定子和轉(zhuǎn)子（a）結(jié)構(gòu)圖（b）渦輪的軸側(cè)圖圖3-5渦輪鉆具止推軸承1一止推軸承座；2一支承盤，3—支承環(huán)圖3-4渦輪的定子和轉(zhuǎn)子（a）結(jié)構(gòu)圖（b）渦輪的軸測圖圖3-5渦輪鉆具止推軸承1一止推軸承座；2一支承盤，3—支承環(huán)圖3-4渦輪的定子和轉(zhuǎn)子（a）結(jié)構(gòu)圖（b）渦輪的軸測圖為了減輕這種橡膠—金屬止推軸承上的負荷及磨損，該鉆具一共裝有12套結(jié)構(gòu)相同的止推軸承。軸承座及外殼固定在一起，不轉(zhuǎn)動，兩軸承盤及支承環(huán)則固定在主軸上及軸一起轉(zhuǎn)動，軸承座及軸承盤之間有2mm的間隙。止推軸承磨損后，軸向間隙增大，使主軸相對于外殼上移和下沉。渦輪鉆具的主軸細而長，約7.5m。在高速旋轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生擺動，因此在主軸的中部和下部裝有徑向軸承，稱中部軸承和下部軸承，起扶正作用。下部徑向軸承還起著壓緊短節(jié)和防止泥漿外泄的密封作用。徑向軸承乃是帶橡膠的軸承。中部軸承由軸承套和中軸承組成，并帶有通過泥漿的溝槽，其結(jié)構(gòu)見圖3—6、圖3—7。渦輪鉆具的主軸由鉻鉬鋼鍛成，上軸端有反扣螺紋，下端有錐形接頭，并及鉆頭連接。軸的中下部有三個斜孔，用于將洗井液引入鉆頭。中部軸承、下部軸承(或壓緊短節(jié))和止推軸承均由鉻鋼制成，上面粘有橡膠層，為了調(diào)節(jié)各級渦輪定子及轉(zhuǎn)子之間的軸向間隙，在最上面一個定子的上部和止推軸承的軸承座之間裝有一個調(diào)節(jié)環(huán)，可采用不同高度的調(diào)節(jié)環(huán)來調(diào)節(jié)渦輪鉆具的軸向間隙。圖3-7渦輪鉆具的下部軸承圖3-7渦輪鉆具的下部軸承圖3-6渦輪鉆具的中部軸承為了保證渦輪鉆具軸上所有轉(zhuǎn)子和各旋轉(zhuǎn)部分的零件固定在主軸上不致松動，全部轉(zhuǎn)動部分的零件均由壓緊螺帽壓緊在主軸的下部臺階上。所有定子和不轉(zhuǎn)動的零件由大小頭和下部軸承固定在外殼內(nèi)。綜上所述，渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)分為旋轉(zhuǎn)和固定的兩大系統(tǒng)。以主軸為中心的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)從上而下依次是：防松螺帽、帽罩、軸承盤、支承環(huán)、主軸、轉(zhuǎn)子、中部軸承套、撐套、下部軸承套。固定于外殼中的固定系統(tǒng)從上而下依次為：大小頭、支承套筒、止推軸承座、調(diào)節(jié)環(huán)、定子、中部軸承、下部壓緊短節(jié)(下部軸承)、外殼，見圖3-2、圖3-3所示。洗井液在渦輪鉆具中的流動情況是：泥漿從鉆桿中心進入渦輪鉆具，經(jīng)止推軸承的孔眼進入渦輪中，經(jīng)過各級渦輪把部分液體能變成渦輪軸上的機械能后，從主軸的三個側(cè)孔流進鉆頭。清洗井底后由環(huán)形空間返出地面。為滿足不同鉆井工藝的需要，渦輪鉆具有多種類型和規(guī)格。例如，鉆深井的復(fù)式渦輪鉆具、鉆定向井的短渦輪鉆具和取巖芯的取芯渦輪鉆具等。渦輪鉆具的類型和規(guī)格見表3-1。2．復(fù)式渦輪鉆具鉆深井時，由于鉆柱很長，泥漿的沿程阻力很大，泵壓很高。為減少阻力，降低泵壓，使鉆井泵不致超負荷運行，就需要減少泥漿排量，這樣，單節(jié)渦輪鉆具所得到和輸出的功率，必然大為減少，因此，需增加渦輪的級數(shù)以提高總功率。然而，過長的渦輪鉆具不論在制造還是裝配都有困難，因此，出現(xiàn)了復(fù)式渦輪鉆具，它實際上是兩節(jié)或三節(jié)單式渦輪鉆具的組合。圖3-8中給出了我國現(xiàn)場常用的復(fù)式渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)，它實際上是由兩節(jié)渦輪鉆具組成。復(fù)式渦輪鉆具的外殼是用帶錐形扣的接頭連接，主軸靠圓錐摩擦聯(lián)軸器連接。依靠渦輪鉆具工作時所造成的軸向水力載荷將摩擦聯(lián)軸器壓緊，使上下兩節(jié)渦輪的主軸連成一體帶動鉆頭工作。為了防止上下兩節(jié)軸在聯(lián)軸器錐面處打滑，摩擦錐面的配合要求嚴密，同時，為了保證聯(lián)軸器摩擦錐面之間產(chǎn)生必要的摩擦力，復(fù)式渦輪鉆具的上段不裝止推軸承，止推軸承裝在下段渦輪鉆具的最上端。這樣上段渦輪整個旋轉(zhuǎn)部分所受向下的軸向載荷都必須先通過摩擦聯(lián)軸器，然后再作用于止推軸承，從而保證為產(chǎn)生足夠的摩擦力所必須的軸向壓力。近年來，我國對復(fù)式渦輪鉆具連接部件的結(jié)構(gòu)作了一些改進。在2WZ-215A型復(fù)式渦輪鉆具中，已把這部分結(jié)構(gòu)改成花鍵及圓錐摩擦聯(lián)軸器的組合結(jié)構(gòu)，如圖3-9所示。這樣的聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)有效地解決了兩主軸聯(lián)接處的打滑和磨損問題。

表5—1渦輪鉆具規(guī)格及工作特性(泥漿重度9800Nm渦輪鉆具的型號直徑mm長度mm重量kg渦輪接頭葉輪類型渦輪級數(shù)排量L功率KW轉(zhuǎn)矩N·m轉(zhuǎn)速r壓力降Pa節(jié)數(shù)備注上接頭下接頭WZ-225WZ-240WZ-215WZ-1952WZ-215WZ-1702WZ-1703WZ-1273WZ-104.54WZ-104.52WZ-215D1WZ-170DWZ-170DWZ-1273AWZ-170225240215195215170170127104.5104.5215170170127170922092459200910014240850015020142951318016665154804485340057349790246521151705144025681004218510006658733168—623——62062052052052042042032023023052042052032042063052052042042042042033023023052042052032042027302221211628251818301001201009617610024024021228322045~6530~5532~4525~3525~3518~3020~2512~148~97~830~4077~33140~24146~12738~10368~19012.5~6063~10033~5324~3522~3378~1841540~4060910~3020860~1700610~11901120~2160260~730880~1370430~580230~290240~3001990~3540490~790440~302515~725600~840600~840475~795550~680760~8851050~1180920~1050381~503(30~79)×10(19~64)×10(26~71)×10(24~47)×10(17~46)×10(44~87)×10(53~83)×10(66~90)×10(61~71)×10(62~81)×10(46~82)×1011112123342圖3—8復(fù)式渦輪鉆具上節(jié)殼體；2—下節(jié)殼體；3—短節(jié)；4—短節(jié)絲扣部分；5、6—錐面摩擦聯(lián)軸器252

圖3—9花鍵圓錐摩擦聯(lián)軸器實踐表明，使用復(fù)式渦輪鉆具，由于增加了渦輪鉆具的節(jié)數(shù)（即增加渦輪級數(shù)）能在較深地層以足夠的扭矩進行鉆進。常用的是雙節(jié)和三節(jié)的復(fù)式渦輪鉆具，但繼續(xù)增加節(jié)數(shù)會使軸向間隙的調(diào)節(jié)變得復(fù)雜，使用也不方便。第二節(jié)渦輪內(nèi)液體的運動和基本方程一、渦輪內(nèi)液體的運動渦輪內(nèi)能量的轉(zhuǎn)換過程，是通過渦輪內(nèi)液體速度的變化，即動量矩的變化實現(xiàn)的。因此，了解渦輪內(nèi)液體的運動，是研究渦輪工作理論的基礎(chǔ)。現(xiàn)以渦輪鉆具的軸流渦輪為基礎(chǔ)進行研究。通過渦輪的液體，是直徑為D1和D2的兩個同軸圓柱面間運動，見圖3-10。它可以看作是無數(shù)層液體的合成運動。圖示的軸流渦輪中，每個圓柱層的液體離旋轉(zhuǎn)中心的距離不同，它的運動速度及渦輪葉片的作用也不相同。為簡化研究，選一個直徑為D的圓柱層作為計算直徑，在此直徑上液流的運動相當(dāng)于所有圓柱層液流的平均運動。按此直徑上的液流平均速圖3—10渦輪內(nèi)液體的運動圖3—11轉(zhuǎn)子入口及出口處的速度三角形度計算出渦輪的性能參數(shù)，及考慮圓柱層液流的特點后的渦輪性能參數(shù)相同。這種以某個單元液流運動來代替整個液流的研究方法，稱為單元理論法，它在葉片式機械中應(yīng)用很廣。一般來說，滿足上述條件的計算直徑，并不等于渦輪流道內(nèi)外徑的代數(shù)平均值，但計算證明，其誤差不超過2％，因而就取平均直徑D作計算直徑D=D1用一直徑D的圓柱面為截面，通過渦輪的平均直徑，將截面拉直展開成平面，就可將渦輪葉片的斷面表示出來，液體繞平均直徑為D的圓柱面流動，就變?yōu)槠矫孢\動。如圖3-11所示。這樣，空間的流動就簡化為平面流動。為研究方便，運動速度符號、水力角均及離心泵一致，即c——絕對速度；u——圓周速度；w——相對速度；β——w及u的夾角；α——u及c的夾角；K——表示結(jié)構(gòu)（如α1k表示定子出口處葉片的結(jié)構(gòu)角）流體經(jīng)過固定不轉(zhuǎn)的定子時，定子葉片迫使液體沿著它的流道方向運動。在定子出口及轉(zhuǎn)子入口處液體的絕對速度為c1（見圖3-11），c1的方向應(yīng)及定子葉片的出口角相切，即α1=α1k,，其速度大小則取決于液體流量的大小。當(dāng)流經(jīng)定子的流量為一定時，c1的大小和方向都是定值，cc1z=c1式中Qy-——通過定子流道的實際流量（或稱有效流量）；F流道的有效面積。F1=πDbφ（3式中D——流道的平均直徑；b——葉片徑向長度，或流道寬度；φ——考慮葉片厚度影響的斷面縮小系數(shù)，一般為0.9液體以速度c1進入旋轉(zhuǎn)著的轉(zhuǎn)子流道，轉(zhuǎn)子以u1=πDnQUOTEω1=c1-由c1、和組成渦輪轉(zhuǎn)子進口處的速度三角形。渦輪鉆具工作時，渦輪轉(zhuǎn)子的圓周速度u1和轉(zhuǎn)速n經(jīng)常是變化的，它的大小取決于鉆頭在井底遇到的阻力大小，即及井底巖性、鉆壓的大小有關(guān)，方向一定，但大小是不斷變化的。當(dāng)?shù)姆较蛘眉稗D(zhuǎn)子葉片入口結(jié)構(gòu)角一致時，即β1=β1k時，渦輪的水力損失最小，這時只有沿程阻力損失，而不存在液流對轉(zhuǎn)子葉片的沖擊損失，稱該工況為無沖擊工況。當(dāng)渦輪鉆具主軸上的載荷增大或減小時，則圓周速度降低或增加，使相對速度的大小和方向發(fā)生變化。在這種情況下，β1圖３—12轉(zhuǎn)子進口處的三種速度三角形當(dāng)流量一定，速度c1的大小和方向一定，即c1z=QyF1、α1=α1k。為了使液流能平滑地從轉(zhuǎn)子流道通過，希望液體相對于轉(zhuǎn)子葉片運動的相對速度盡量及轉(zhuǎn)子葉片的進口結(jié)構(gòu)角β1k方向一致，此時液體的水力損失最小，稱無沖擊工況，如圖3—12(b)所示。此時的圓周速度稱為無沖擊圓周速度，以u1w表示。當(dāng)渦輪軸上負荷增加，圖３—12轉(zhuǎn)子進口處的三種速度三角形從上面討論，可歸納出以下幾點：(1)速度c1的方向取決于定子葉片的出口結(jié)構(gòu)角，大小取決于流量，在一定流量下，c(2)圓周速度ｕ１或轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n，取決于渦輪鉆具下的鉆頭在井底遇到阻力的大小，它及巖性、鉆壓大小有關(guān)，通常是不斷變化的。(3)相對速度w1等于c1及的矢量差。當(dāng)c1為定值時，w1w1及的夾角β1(4)當(dāng)w1的方向正好及轉(zhuǎn)子進口處葉片的結(jié)構(gòu)角相切，即β渦輪轉(zhuǎn)子進口處無沖擊工況時的速度三角形可按下列步驟求得，見圖3—13。轉(zhuǎn)子進口轉(zhuǎn)子出口圖3—13無沖擊工況時的速度三角形首先以c1=QyFt,作出c1的軸向分速度；量出定子出口處的葉片結(jié)構(gòu)角α1k及轉(zhuǎn)子進口處的葉片結(jié)構(gòu)角β1k，以c1z為高，利用α1k其中uw為無沖擊工況下轉(zhuǎn)子的圓周速度。以u即nw=60uwπD也可寫成nw=60πDc1z(cotα1k+cotβ由此可見．對一定結(jié)構(gòu)的渦輪，D、F1、α1k及β1k均為常數(shù)，其無沖擊條件時的轉(zhuǎn)速nw及流量Q以上討論了轉(zhuǎn)子進口處的速度三角形。轉(zhuǎn)子出口處，液體質(zhì)點除了具有和葉片相切方向的相對速度w1外，還具有圓周速度u2，其絕對速度c2是和u2的矢量和，見圖3即c2=QUOTEω2+u2對于軸流渦輪，由于轉(zhuǎn)子進出口的半徑相同，所以u2=u1=ωR。式中的ω為轉(zhuǎn)子出口處無沖擊工況的速度三角形求法及進口處類似，見圖3—13。先量出轉(zhuǎn)子出口處的結(jié)構(gòu)角β2k，并由c2z=QyF2求出c2的軸向分速度度c2z，其中F2為垂直于軸向分速度的轉(zhuǎn)子出口流道的有效斷面積，它通常及定子流道斷面積相等，即F1=F2。然后作出u2=u1液流以絕對速度c2進入下一級定子，此時對定子無沖擊條件必須是α2=α2k。α2k二、渦輪內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律——渦輪的基本方程式渦輪鉆具內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化及離心泵內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系剛好相反，離心泵是把動力機輸?shù)奖幂S上的機械能，通過泵轉(zhuǎn)化成液體的液體能；而渦輪鉆具則是將鉆井泵輸送來的鉆井液的液體能，通過渦輪轉(zhuǎn)化為渦輪軸上的機械能，帶動鉆頭對外作機械功，破碎巖石。因此，及離心泵的基本方程式的推導(dǎo)一樣，只要了解了渦輪內(nèi)液體的運動規(guī)律，利用第二章的液流動量矩原理就能推導(dǎo)出渦輪的基本方程。由于單位重量液體在渦輪進口處具有的能量比出口處高，兩者之差就代表單位重量液體傳給渦輪的能量(或壓頭)。將液體在葉輪進口及出口處的能量交換一下，即可將離心泵的基本方程改為渦輪的基本方程式，即Hh=1式中g(shù)——重力加速度。對于軸流渦輪(見圖3—11)，c1cosαHh=1現(xiàn)把渦輪獲得的機械能和液體傳給渦輪的液體能聯(lián)系起來，不考慮能量轉(zhuǎn)化過程中的損失，從能量守恒可知Mtω=式中Mt——渦輪主軸的理論轉(zhuǎn)矩;ω——Qz——通過渦輪的液體總流量(輸入流量)；Hb——單位重量液體在的總能量或總壓頭；γ——液體的重度。由式(3—7)知，渦輪從液體獲得的理論轉(zhuǎn)矩為Mt考慮到u=ωR，則渦輪的理論轉(zhuǎn)矩為Mt=Qz式中R——渦輪的計算半徑，R=D2=D1渦輪從液體獲得的理論功率（即液體消耗的總功率）為Nh=Mt式(3—6)、(3—8)、(3—9)中c1u和c2u分別表示渦輪進口及出口處的絕對速度c1和c多級渦輪的壓頭、轉(zhuǎn)矩和功率可分別由下列公式表示QUOTE1Hh=Kμgc1u-c式中．K——渦輪的級數(shù)。第三節(jié)渦輪鉆具的功率損失及效率上面討論的Hb、Mt、Nb都是渦輪內(nèi)液體及渦輪之間的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，這種轉(zhuǎn)化是直接發(fā)生在液體及渦輪葉片之間。渦輪從液體獲得的轉(zhuǎn)矩、一、水力損失渦輪內(nèi)的水力損失hsQUOTEhb可分為沖擊損失hch和摩擦損失hm兩類，即QUOTEhb=hch+hmhs=hch沖擊損失是指進入葉輪的液流方向及葉片結(jié)構(gòu)角不一致時，液流及葉片進口端發(fā)生沖擊引起的能量損失。當(dāng)渦輪在無沖擊轉(zhuǎn)速nw下工作時，這項損失接近于零。當(dāng)渦輪的工作轉(zhuǎn)速大于或小于無沖擊轉(zhuǎn)速nw，沖擊損失都按拋物線規(guī)律增大，如圖3—14所示。摩擦損失取決于葉片結(jié)構(gòu)、表面粗糙度和液體粘度等因素。為了減少摩擦損失，應(yīng)設(shè)計合理的葉片斷面形狀，降低葉片表面粗糙度。摩擦損失的大小及液體在流道中的速度大小有關(guān)，當(dāng)流量不變時，流道中的流速變化不大，此時，摩擦損失可視為常數(shù)，不隨渦輪的轉(zhuǎn)速而變，如圖3—14中的水平線所示。摩擦損失的數(shù)值一般很小，而沖擊損失在遠離無沖擊工況時往往達到很大的數(shù)值，因而圖3—14渦輪內(nèi)的水力損失圖3—15渦輪中容積的損失hch是渦輪水力損失中的主要組成部分。上述兩類水力損失同時產(chǎn)生在渦輪的定子和轉(zhuǎn)子中。由于水力損失的存在，單位重量液體在渦輪中消耗的能量或消耗壓頭應(yīng)等于傳給渦輪的有效壓頭和水力損失之和，即Hh=Hy渦輪鉆具的水力效率是有效壓頭和消耗壓頭之比，即QUOTEηs=HyHh=H二容積損失如圖3—15所示，高壓液體通過渦輪的總流量Qz，大部分進入渦輪流道作功，這部分流量稱為有效流量，以Qy表示。另外有一小部分流量△Q竄過定子和轉(zhuǎn)子的徑向間隙而漏失，不參加能量轉(zhuǎn)換。因此，流量是有效流量Qy及漏失量Qz=Qy+ΔQ渦輪鉆具的容積效率為有效流量及總流量之比，即QUOTEηv=QyQη=現(xiàn)有的渦輪鉆具，容積效率一般為0．9左右。三、機械損失渦輪鉆具必須通過主軸才能帶動鉆頭破碎巖石，而主軸又裝在止推軸承、中部軸承和下部軸承上，同時還有密封高壓液體的盤根裝置，因此，主軸在旋轉(zhuǎn)時要克服軸承和盤根的摩擦而耗費一定功率。另外，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時及液體之間也要發(fā)生摩擦而耗費一定功率。這樣，渦輪軸上實際輸出功率Nch比渦輪從液體獲得的有效功率Ny（或轉(zhuǎn)化功率）要少一個機械損失功率值△Nj。渦輪鉆具的機械效率為輸出功率Nchηj=渦輪鉆具的輸人功率，即液體所消耗的功率Nh為Nh=Qz式中△P——高壓液體通過渦輪后的壓力降。渦輪鉆具的總效率應(yīng)是輸出功率及輸入功率之比，即η=NchNh可見，渦輪鉆具的總效率和其它水力機械一樣，等于這三種效率的乘積。其中，水力效率和容積效率之乘積時液體能在渦輪內(nèi)轉(zhuǎn)化為機械能時的效率，即NyNh。稱這部分效率為有效第四節(jié)渦輪鉆具的特性曲線前面我們對渦輪鉆縣的轉(zhuǎn)矩、壓頭和功率的基本方程式及渦輪鉆具內(nèi)部的損失進行了討論，從理論上知道了渦輪鉆具內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換和能量損失的內(nèi)在規(guī)律。渦輪鉆具的特性曲線，就是上述內(nèi)部規(guī)律的外部體現(xiàn)。渦輪鉆具的特性曲線就是在坐標圖上用曲線來表示的渦輪鉆具主要技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系。具體的說，就是在一定排量下，渦輪的轉(zhuǎn)速及渦輪的壓頭、轉(zhuǎn)矩和功率之間的關(guān)系曲線。渦輪鉆具的特性曲線，是正確選擇及合理使用渦輪鉆具的重要依據(jù)。圖3—16WZ—圖3—16WZ—255渦輪鉆具的特性曲線液體流量Q=45Ls；重度M—n曲線是渦輪鉆具最主要的特性曲線，它表示渦輪鉆具主軸轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩（即外載）而變化的規(guī)律，近似于一條斜直線。渦輪的轉(zhuǎn)矩越大，則轉(zhuǎn)速越低，當(dāng)渦輪鉆具主軸上沒有負荷時，轉(zhuǎn)速達到最大值，此時渦輪為空轉(zhuǎn)工況。當(dāng)渦輪鉆具主軸上負荷增大時，渦輪轉(zhuǎn)速則降低，當(dāng)負荷增