多工艺冲击回转钻进技术

冲击反循环钻孔法施工工艺1前言随着国民经济的发展，铁路、公路的桥梁以及高层建筑的基础大多采用钻孔灌注桩基础，其成孔方法较多，而冲击钻孔法是常见的一种，因它能适应各种地层特别是冲击硬质岩层优势明显。

近年来，使用冲击反循环钻孔法成孔速度大有提高，因而在复杂地质中的钻孔灌注桩基础大多优先选用冲击钻孔法来解决施工中的疑难问题。

2工艺特点（1）设备简单，操作方便。

（2）可以采用反循环冲击成孔提高效率。

（3）可以穿过漂石、卵石、砾石等地层。

（4）对处理复杂地层中的基础有显著的优点。

（5）它可直接投入粘土块入孔自行造浆。

3适用范围冲击钻孔法适用于孔径100cm～300cm，钻孔深度50m。

冲击钻机适用于所有土层，采用实心锤钻进时，在漂、卵石和基岩中显得比其他方法优越。

4机械性能及参数见表1。

冲击钻孔系统设备由冲击钻头、三脚立架、卷扬机组成。

冲击钻机配有1～5t重的冲击锥。

国产的冲击钻机主要是CZ型的CZ-30、CZ-28、CZ-22等，另外还有YKC-31、YKC-30等型号。

5钻孔施工施工工艺流程5.1.1冲击钻孔施工工艺流程见图1。

5.1.2 冲击反循环钻孔施工工艺流程见图2。

图1 冲击钻孔施工工艺流程图图2 冲击反循环钻孔施工工艺流程施工工艺步骤5.2.1 施工准备（1）平整场地（陆地）。

平整场地应达到“三通一平”，以便钻机安装和移位；对于不利于施工机械运行的松散场地，应采取硬化、加固等措施。

场地要采取有效的排水措施。

根据施工图设计，合理选择和确定进出线路和钻孔顺序，制定场地布置方案。

合理的安排泥浆池、沉淀池的位置，沉淀池的容积应满足2个孔以上排渣量的需要。

（2）围堰筑岛（浅水）。

对于浅水区域的桩基施工，可采用围堰筑岛方式施工，筑岛填料宜用粘土，岛面要有足够的施工场地，岛面标高应高出施工水位～2.0m。

（3）平台施工（深水）。

对于场地为深水时，可采用钢管桩施工平台、双壁钢围堰平台等固定式平台，也可采用浮式施工平台。

煤田地质勘探中的冲击回转钻进工艺【摘要】本文主要阐述了煤田地质勘探中冲击回转钻进的钻具转速、钻压、泵量与泵压、净化冲洗液等技术工艺技术问题。

【关键词】煤田地质；勘探；冲击回转；钻进工艺1、钻具转速进行冲击回转钻进时，钻具回转转速的高低，一般按所钻岩石的性质、所用磨料的种类以及冲击器冲击功的大小和冲击频率的高低等因素进行确定。

以块柱状硬质合金为磨料的钻头，钻进硬岩层或钻进强研磨性岩层时，由于破碎岩石的主导作用是冲击载荷，所以钻具的回转转速应在20-80./min之间。

钻的岩石越硬，其钻具的回转转速就越低。

实践表明，若钻具的转速过高，不仅会使冲击间距大，降低破碎岩石效果和崩坏硬质合金；还随着钻头圆周速度的提高，硬质合金与岩石进行摩擦的里程增加，也会迅速磨损切削具，其结果会大幅降低回次进尺长度。

要提高钻具的转速，转速通常要在80-300r/min之间。

按钻探生产实践经验，钻具转速的选取可参阅表1。

选择钻具转速除要岩石性质外，还应考虑冲击器的性能状况。

冲击器的冲击功较大时，要适当的提高钻具转速；反之，要降低钻具的转速。

同样，冲击器的冲击频率较高时，钻具的转速也要适当增加；反之，应适当降低转速。

冲击频率高时要提高钻具的转速，而冲击频率低时要降低转速呢？可从以下情况看出它们之间的关系。

冲击回转钻进时，钻头上的每一颗硬质合金由于同时受回转的作用在完成第一次冲击破碎岩石后，便移动一段距离，进行第二次冲击破碎岩石。

硬质合金两次冲击之间的距离为冲击间距（S）。

计算可知，冲击间距（S）的大小是与冲击频率的高低和钻具回转转速的快慢有着密切关系的。

岩石越硬，其抗破碎阻力越大，越容易崩刃和磨损硬质合金；所以冲击间距（S）应该小一些。

钻进硬岩层时，应该采用较低的转速。

各种岩石都有它的最优冲击间距值，根据生产实践经验，一般可钻性为6-7级的岩石，S=10～15mm，可钻性为7-8级的岩石，S=8-10mm，可钻性为9-10级的岩石，S=5～8mm。

多工艺冲击回转钻进的感悟与思考多工艺冲击回转钻进技术，说的通俗易懂一点就是潜孔锤钻进技术。

可以说，这项技术是全球钻探界的一朵奇葩，潜孔锤对于钻探就像相对论对于物理，他完全颠覆了人们对于钻进效率的认识，将钻进效率成十倍的提高，对于高成本的钻探行业来说，这无疑是一项举世瞩目的成就。

当然，潜孔锤技术对钻探界的影响远不止钻进效率这一个方面，下面我将结合老师上课讲的内容以及自己阅读的文献，谈一下自己对这项技术的感悟与思考。

首先，我们提出了潜孔锤钻进的三字特点：快、好、省。

快，指的是钻进效率，风动潜孔锤的钻进效率是一般金刚石钻进效率的10倍之多，这并不奇怪，从两者的碎岩机理上来分析，就会发现，潜孔锤的钻进效率比一般金刚石钻进效率高出十多倍是必然的，举个很简单的例子，往墙壁里钉钉子，用手边压边转往墙壁里面钉和用锤子冲击钉子往里钉，哪个会更快呢？很显然，用锤子钉快多了。

潜孔锤钻进的碎岩机理就是冲击回转使岩层产生体积破碎，而一般的金刚石钻进只有回转，没有冲击，所以钻进效率的高低自然就会差很多。

好，指的是岩心采取率及岩心的利用价值，潜孔锤钻进实现了真正意义上的100%岩心采取率，而且实现了对岩心的实时观测，将岩心的利用价值发挥到最大限度。

先来看一般的金刚石取心钻进，由于钻头具有一定的厚度，所以岩心管取心的直径是钻头的内径，而钻孔直径和钻头内径之间这个环状间隙的岩层，却没有形成岩心，也就是说岩心管无法将其取出。

事实上，这部分岩层被磨成岩粉、岩屑随着冲洗液被冲走了。

另外，一般的金刚石绳索取心钻进一个回次大概需要1个小时左右，也就是说当岩心取上来，地质学家拿到手里来对其进行一些必要的分析和研究的时候，已经距离这块岩心被钻取的时间一个小时了，这就可能使岩心失真，势必降低岩心的利用价值。

再来看潜孔锤钻进，由于采取了贯通式潜孔锤全孔反循环连续取心钻进技术，使整个孔径的岩心，包括磨成的岩粉、岩屑被毫无保留的取到孔口的收集袋里，从而真正意义上的实现100%岩心采取率。

摘要冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。

从上世纪五十年代开始，在美国，加拿大和前苏联才研制出几种具有实用意义的液动冲击器。

我国从1958年底开始在原地质矿产部勘探技术研究所对液动冲击回转钻进技术进行研究，几乎与世界同步。

液动冲击器是液动冲击回转钻探的关键设备。

随着中国现代化建设的不断推进和发展，国民经济增长对液动冲击回转钻探不断提出更高的要求，所以，加速液动冲击器的研究势在必行。

本文在综述了国内外液动冲击回转钻探和液动冲击回转钻探核心机械—液动冲击器的基础上，研究阀式反作用液动冲击器的工作原理和结构特点，并提出了计算液动冲击力和冲击频率的方法。

通过分析，指出阀式反作用液动冲击器适用于中到中硬以上的岩层，并且应尽量增大泥浆排量，采用较大刚度的冲锤弹簧，以使冲击器的优点得到充分发挥。

并针对液动冲击器的关键零件—冲锤弹簧进行了详细的分析计算和验算。

并从技术和经济学角度分析了液动冲击回转钻探的技术经济效果。

本文主要作了以下工作：1）详细阐述了液动冲击回转钻探；2）详细介绍了各种液动冲击器；3）分析了反作用液动冲击器的结构原理和结构特点4）阀式反作用液动冲击器的性能分析和参数计算。

关键词：液动回转钻探反作用冲击器1AbstractThe text ,basing on summing up the studying of nation inside and outside n circumgyrate drilling of fluid move concussion and fluid move impulsion implement of counteractive of valve style,study working principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.And it advances the measure that account the wallop and concussion frequency.Overpass the analysis,it indicate that the fluid move impulsion implement of counteractive of valve style is the same with the terrane that whose rigidity is middle or upwards.Besides it should accretion the arrange quantity of slop to the best of its abilities and adhibits clash spring of the greater limit to exert the excellence of impulsion implement.It also makes detailed analyzed account and checking computations in allusion to the key part of the impulsion implement,and analyses the technic economy effet of the impulsion implement.The text do mianly these work:1)expound circumgyrate drilling of fluid move concussion particular.2)introduce diversified impulsion implement particular.3)analyse orking principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.4)capability analysis and parameter account of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.Key words: fluid move, circumgyrate, drilling, counteractive ,concussion implement2目录摘要 (1)Abstract (2)第一章液动冲击回转钻探 (1)1．1概述 (1)1．2冲击回转钻进的实质和特点 (2)1．3冲击回转钻进的应用范围 (3)1．4冲击回转钻进的发展概况................................................. 错误！未定义书签。

冲击钻正循环和反循环施工工艺（完整）1. 工艺概述冲击钻孔成孔工艺方法分为冲击正循环成孔和冲击反循环成孔两种。

冲击正循环成孔是通过冲击式装置或卷扬机悬吊冲击钻头上下反复冲击，将硬质土或岩层破碎成孔，部分碎渣和泥浆挤入孔壁中，大部分钻渣由泥浆循环带出孔外，或用掏渣筒掏出孔外，这样循环往复，直至钻至设计深度。

冲击反循环成孔其成孔原理与冲击正循环成孔原理基本相同，只是钻头中心留有空洞，在上下往返冲击时，其钻头尖刀将孔底冲碎，已冲碎的钻渣可以从钻头中心空洞用吸泥管排出孔外。

冲击钻孔施工适用于黄土、粘性土、粉质粘土、杂土、坚硬土层、含有孤石的砂砾石层、漂石层、岩层等。

2. 适用范围适用土层：粘性土、砂类土、含少量砾石、卵石（含量少于 20%）的土。

适用孔径：正循环适用于80～250cm直径的桩，反循环适用于80～300cm直径的桩。

适用孔深：正循环适用于30～100m深的桩，反循环用真空泵适用于小于35m深的桩。

3. 作业内容本工艺主要作业内容为：场地平整或钻孔平台搭设、设备安装、泥浆调制、钻进施工、泥浆循环处理及清孔、钢筋笼加工及安装、混凝土灌注。

4. 施工工艺流程图图4-1 冲孔钻孔桩施工工艺流程图5. 工艺步骤及质量控制5.1 施工准备5.2 桩位测定根据设计资料，复核桩位轴线控制网和高程基准点。

确定桩位中心，以中心为圆心，以大于桩身半径在四周设立十字护桩，做好标记并固定好。

经驻地监理工程师核查、批准后开钻。

5.3 护筒施工1）护筒的作用护筒有固定桩位，引导钻头方向，隔离地面水、避免其流入孔内，保护孔口不坍塌，并保证孔内水位（泥浆）高出地下水或施工水位一定高度，形成静水压力（水头），以保护孔壁免于坍塌等作用。

2）钢护筒的一般要求用钢板制成的埋设护筒，应坚实不漏水；护筒入土较深时，宜以压重、振动、锤击或辅以护筒内除土等方法沉入。

冲击钻护筒内径比桩径宜大 20～40cm；深水处的护筒内径比桩径宜大 40cm。

冲击反循环钻孔桩施工工艺工法（QB/ZTYJGYGF-QL-0102-2011）桥梁工程有限公司何勇陈建涛1 前言1.1 工艺工法概况随着国民经济的发展，铁路、公路的桥梁以及高层建筑的基础大多采用钻孔灌注桩基础，其成孔方法较多，而冲击钻孔法是常见的一种，因它能适应各种地层特别是冲击硬质岩层，优势明显。

近年来，使用冲击反循环钻孔法成孔速度大有提高，因而在复杂地质中的钻孔灌注桩基础大多优先选用冲击钻孔法来解决施工中的疑难问题。

1.2 工艺原理冲击反循环破碎入岩工艺的破碎机理是利用冲击钻头对岩石进行较高频率的冲击，使岩石产生破碎，然后利用反循环排渣方式及时将破碎岩屑第一时间排出孔外。

2 工艺工法特点2.1 设备简单，操作方便，成孔效率高。

2.2对不同地质情况具有较好的适用性；在复杂地层中的基础施工方面有着显著的优势。

2.3 可以穿过漂石、卵石、砾石等地层。

2.4 可直接向钻孔桩孔内投入黏土块自行冲击造浆。

3 适用范围冲击钻机可用于所有地层，适用于孔径100～300cm、钻孔深度50m；采用实心锤钻进时，在漂、卵石和基岩中显得比其他方法优越。

4 主要技术标准《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10002.5）《铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB 10415）《铁路桥涵施工规范》（TB 10203）《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50）《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1）《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80-1）5 施工方法冲击反循环钻孔施工工艺是利用电力带动卷扬机上的钢丝绳，通过桅杆上的导向轮提引钻头做上下冲击运动，形成瞬时冲击力破碎岩土。

并在冲击的同时启动砂石泵，通过钻头中心管内设置的排渣管连续排出钻渣。

在施工过程中，控制孔径、深度、垂直度等重要数据。

6 工艺流程及操作要点6.1 施工工艺流程施工工艺流程见图1。

图1 冲击反循环钻孔施工工艺流程图6.2 操作要点6.2.1 施工准备1 平整场地（陆地）平整场地应达到“三通一平”，以便钻机安装和移位；对于不利于施工机械运行的松散场地，应采取硬化、加固等措施。

冲击反循环钻机施工工艺方法
冲击反循环破碎入岩工艺的破碎机理是利用冲击钻头对岩石进行较高频率的冲击,使岩石产生破碎,然后利用反循环排渣方式及时将破碎岩屑第一时间排出孔外。

冲击钻头由两根钢绳平衡连接,无论起、下钻都非常方便,大大缩短了辅助时间。

因此,冲击反循环钻头是冲击钻进的主要工具,其结构的合理与否直接影响到钻进效率和质量。

在冲击钻进过程中,关键是冲击和吸渣量是否匹配,也是确保孔壁稳定正常钻进最基本最重要条件。

在钻进过程中吸渣工作应根据钻进地层和情况而定,不应过量汲渣以免造成孔壁失稳坍孔。

发生埋钻事故。

另外,在冲击过程中,必须经常检查钢丝绳的磨损情况以及转向装置的灵活性和连接的牢固性,以防磨断或因转向不灵而扭断钢丝绳,发生掉钻事故。

根据地质情况,钻头出量研磨材料提钻时要应经常检查,一般地层每小班至少提钻一次检查,复杂地层提钻头次数要增加,往往钻头底量和外出量在砂卵石和基岩中磨损严重,所以应及
时进行修补,这样就增加了修补钻头的铺助时间,降低了纯钻进冲击时间,又减少了修补钻头的辅助时间,再则在提升钻头时,要小心谨慎,尤其是在快到护筒底部将钻头慢慢提起,防止碰撞孔口护筒以免造成护筒底部坍孔或护筒错位或变形事故。

摘要冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。

从上世纪五十年代开始，在美国，加拿大和前苏联才研制出几种具有实用意义的液动冲击器。

我国从1958年底开始在原地质矿产部勘探技术研究所对液动冲击回转钻进技术进行研究，几乎与世界同步。

液动冲击器是液动冲击回转钻探的关键设备。

随着中国现代化建设的不断推进和发展，国民经济增长对液动冲击回转钻探不断提出更高的要求，所以，加速液动冲击器的研究势在必行。

本文在综述了国内外液动冲击回转钻探和液动冲击回转钻探核心机械—液动冲击器的基础上，研究阀式反作用液动冲击器的工作原理和结构特点，并提出了计算液动冲击力和冲击频率的方法。

通过分析，指出阀式反作用液动冲击器适用于中到中硬以上的岩层，并且应尽量增大泥浆排量，采用较大刚度的冲锤弹簧，以使冲击器的优点得到充分发挥。

并针对液动冲击器的关键零件—冲锤弹簧进行了详细的分析计算和验算。

并从技术和经济学角度分析了液动冲击回转钻探的技术经济效果。

本文主要作了以下工作：1）详细阐述了液动冲击回转钻探；2）详细介绍了各种液动冲击器；3）分析了反作用液动冲击器的结构原理和结构特点4）阀式反作用液动冲击器的性能分析和参数计算。

关键词：液动回转钻探反作用冲击器1AbstractThe text ,basing on summing up the studying of nation inside and outside n circumgyrate drilling of fluid move concussion and fluid move impulsion implement of counteractive of valve style,study working principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.And it advances the measure that account the wallop and concussion frequency.Overpass the analysis,it indicate that the fluid move impulsion implement of counteractive of valve style is the same with the terrane that whose rigidity is middle or upwards.Besides it should accretion the arrange quantity of slop to the best of its abilities and adhibits clash spring of the greater limit to exert the excellence of impulsion implement.It also makes detailed analyzed account and checking computations in allusion to the key part of the impulsion implement,and analyses the technic economy effet of the impulsion implement.The text do mianly these work:1)expound circumgyrate drilling of fluid move concussion particular.2)introduce diversified impulsion implement particular.3)analyse orking principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.4)capability analysis and parameter account of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.Key words: fluid move, circumgyrate, drilling, counteractive ,concussion implement2目录摘要 (1)Abstract (2)第一章液动冲击回转钻探 (1)1．1概述 (1)1．2冲击回转钻进的实质和特点 (2)1．3冲击回转钻进的应用范围 (3)1．4冲击回转钻进的发展概况 (4)1．5液动冲击回转钻在地质岩心钻探中技术经济效益 (6)第二章液动冲击器 (8)2．1冲击器的种类 (8)2．2 反作用式液动冲击器 (15)2．2．1 反作用式液动冲击器的结构原理 (15)2．2．2 反作用式液动冲击器的结构特点 (15)2．3 阀式反作用液动冲击器性能分析及参数计算 (16)2．3．1 功率特性及活塞冲锤运动特性分析 (16)2．3．2 参数计算 (16)2．4 本章小结 (22)第三章ГВМС—5型液动锤 (23)3．1 ГВМС—5型液动锤工作原理及特点 (23)3．2 冲锤弹簧设计和计算 (24)3.2.1原始条件的确定 (24)3．2．2．参数计算： (25)3.2.3验算 (27)第四章液动冲击回转钻进的发展展望 (27)4．1 液动冲击回转钻进的发展方向 (27)4．2 基础理论方面的重大课题 (30)4．3 应用研究 (30)第五章液动锤的仿真分析 (31)致谢 (35)参考文献 (36)III第一章液动冲击回转钻探1．1概述采用冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。

冲击回转钻进概述钻探工程以机械方式破碎岩石，最早是采用冲击钻进方法．以后才发展到以回转钻进为主的钻进方法。

近几十年来．钻探工作者根据动载荷比静压载荷能够更加有效破碎坚硬岩石的原理．研制成功了冲击回转钻进技术。

一、冲击回转钻进的实质冲击回转钻进是有机地综合了冲击钻进(单次破碎岩石作用)和回转钻进(连续破碎岩石作用)的一种钻进方法。

冲击回转钻进主要是指在回转钻进的基础上，加人一个冲击器以提高钻进效率。

在钻头上或岩心管上联结一个专门的冲击器，在钻进中给钻具以一定的轴向压力和回转运动，同时冲击器给钻具以一定频率的冲击能量，在冲击和回转共同作用下，钻头破碎岩石，进行钻进。

它是在地面以动力带动全套钻具进行回转(并通过钻具给钻头一定的轴向压力)的同时，孔内冲击器以每分钟几百次至几千次的频率进行冲击。

此冲击力通过岩心管或直接传至钻头：钻头上同时作用两种载荷，即回转方向的回转力和轴向方向的冲击力。

如图0-1所示。

所以称为冲击回转钻进。

图0-1冲击回转钻进与冲击钻进、回转钻进的碎岩比较示意图a–回转钻进；b–冲击钻进；c–冲击回转钻进P静–轴向力；M–回转力；P冲–冲击力根据岩石破碎原理，在一定的轴向压力下冲击破碎岩石，岩石强度要降低50%～80%，所以上述冲击回转钻进比钢绳冲击钻进效率要高3～5倍。

又由于冲击器放置在孔底，冲击能量直接施加在钻头上，能量损失较少，因此它比地表冲击器的钻进效率也要高许多。

又由于在冲击载荷作用下，坚硬岩石易于实现体积破碎过程，所以，冲击回转钻进比一般的回转钻进，其效率也要高。

冲击回转钻进提高钻进效率的原因，归纳起来有下列几点：(1)冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。

由于岩石的动硬度要比静硬度小，固易产生微裂纹。

并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育，因此，不大的冲击功就可以破碎坚硬岩石，而静压入时则需要很大的力。

(2)切削刃的磨损减少。

在冲击回转钻进中切削刃具磨损减少的原因有：①冲击破碎岩石时刃具与岩石的作用时间很短；②体积破碎的摩擦系数低于表面破碎时的摩擦系数，而在冲击回转钻进中很容易达到体积破碎；③钻速快，切削具的相对磨损就减少。

浅谈拉瓦尔喷管在多工艺冲击回转钻进技术中的应用摘要：本文通过改变钻头喷嘴流道形状，将拉瓦尔喷管引入钻头设计中，使喷嘴出口处形成超音速流动，以增强卷吸效果，使反循环更加彻底。

关键词：贯通式潜孔锤、超音速、拉瓦尔喷管、计算机仿真。

一、引言目前在贯通式反循环钻进中生产部门普遍采用高风压大排量空压机，来获得大的冲击功，提高钻井效率，但以往设计的钻头无法满足要求，经常出现“正循环”现象，使施工环境变得很恶劣，更为严重的是钻遇潮湿地层，岩屑在孔壁附着，随时间增长，可能会发生的卡钻事故，严重阻碍了贯通式反循环钻进技术的应用，针对这种情况，需要对钻头水口进行改进，以满足钻进要求。

二、钻头流道设计及试验反循环的形成与钻头喷嘴处气体流速密切相关，流速越高，卷吸作用越强，反循环越彻底，故考虑增加喷嘴处气体流速来改进钻头结构。

引入拉瓦尔喷管对钻头进行改进。

拉瓦尔喷管是使气流膨胀以获得高速流动的设备。

喷管的截面积是变化的，气体在喷管内流动时，与管壁之间有摩擦作用，气体还通过管壁向外界散热。

但就整个流动而言，摩擦作用是很小的；其次，由于气体的速度很大，管道又不长，气体通过喷管时与管壁接触的时间很短，在没有特殊冷却的情况下，散失的热量与气流的总能量相比也是很小的，可近似地认为是绝热的。

气体在喷管中流动，除受上下游压强、换热、粘性摩擦等因素影响外，主要受喷管截面积变化的影响。

喷管内气体的流动可看作一维定常等熵流动。

要想产生超音速气流，管道的截面形状在亚声速段应是收缩的，在超音速段应是扩张的，以声速处截面积为最小，另外，上下游压差也是必须的，但管道先收缩后扩张是必要的几何条件。

因此，采用拉瓦尔喷管得到超音速气流，获得所需要的气流参数（如马赫数）。

喷管的设计，首先是在给定的条件下（进口参数及背压）下确定管形，再根据给定的流量计算有关的尺寸。

其实质就是使喷管的外形与截面积的尺寸完全符合气体在降压增速过程中所形成的外形与截面积，以实现将气体的内能尽可能地转化为机械能。