Эффективность применения газотурбинных двигателей на тракторах сельскохозяйственного назначения

Аннотация

Представлены результаты исследований работы автотракторных газотурбинных двигателей (ГТД) и эффективности их применения на тракторах с.-х. назначения. Для оценки эффективности функционирования трактора «Кировец» с ГТД обоснованы оптимальные значения энергетических и технико-экономических показателей.

Полный текст

Сегодня во всем мире наряду с широким применением обычных дизелей получают распространение тракторные ГТД. Изучению эффективности их применения на тракторах с.-х. назначения на примере тракторов «Кировец» посвящены работы [1-5]. Результаты исследований свидетельствуют о том, что по сравнению с поршневыми двигателями ГТД лучше приспособлены к условиям неустановившихся режимов работы и позволяют эффективно использовать низкосортные топлива [1]. Возможность и целесообразность использования ГТД на тракторах и автомобилях также обусловлены такими преимуществами по сравнению с поршневыми двигателями, как: легкий пуск при низких температурах (в течение 1-15 мин без подогрева при температуре -25 оС) без необходимости обогащения смеси; сокращение трудоемкости технического обслуживания на 25-47%; снижение стоимости капитального ремонта на 23-65%; меньшие значения массы (в 1,8-2,5 раза) и габаритных размеров (в 1,4-1,6 раза) [1, 2, 5]. Применение ГТД на тракторах позволяет значительно снизить их удельную металлоемкость. ГТД менее чувствителен к перегрузкам, наличие которых при неизменной частоте вращения турбокомпрессора приводит лишь к снижению скорости движения машинно-тракторного агрегата (МТА), которая автоматически восстанавливается при возвращении к исходной нагрузке. К преимуществам ГТД также относятся: многотопливность без существенной переделки системы питания; в 3-5 раз меньший выброс токсичных компонентов вследствие большого коэффициента избытка воздуха; снижение уровней вибрации и шума; хорошая приспособленность к внешним нагрузкам благодаря рациональной параболической характеристике; сокращение в 4-5 раз номенклатуры деталей; большой коэффициент приспособляемости; высокая удельная мощность; отсутствие системы охлаждения. Один из существенных недостатков ГТД - их низкая топливная экономичность - практически устранен: лучшие образцы автотракторных ГТД мощностью 260-440 кВт имеют удельный расход топлива 210-250 г/(кВт·ч). Успешно решается вопрос снижения удельного расхода топлива ГТД до 200-250 г/(кВт·ч). На повестке дня стоит вопрос повышения их эксплуатационной надежности и долговечности. Основной путь повышения экономичности ГТД - применение керамических материалов, повышение начальной температуры газа до 1350-1370 оС, увеличение степеней повышения давления до 5,5-8. Ресурс ГТД практически доведен до 10 тыс. ч [1, 2]. Дальнейшее развитие и совершенствование ГТД зависит от применения новых керамических материалов для рабочего колеса тяговой турбины, ее теплообменника и камеры сгорания. В зависимости от нагрузки ГТД обеспечивают работу на нескольких режимах, которые устанавливаются посредством фиксированной подачи и часового расхода топлива (см. таблицу). Основные параметры, установленные по типовым характеристикам ГТД-350Т А, мин-1 В, мин-1/(Н·м) , кг/ч , кВт 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,6 2,04 2,045 0,05 2,055 2,06 2,065 2,07 2,075 10 820 10 285 9530 8920 8220 6980 6270 4930 -11,79 -12,24 -12,18 -12,31 -12,35 -12,84 -12,98 -14,39 94 84 76 68 60 47 40 27 260 226 195 169 143 99 79 44 Примечание: - уровень реализации частоты вращения вала тяговой турбины; , - текущая и номинальная частоты вращения вала тяговой турбины, мин-1; - кратность моментов, или коэффициент приспособляемости ГТД; , - максимальный и номинальный крутящие моменты на валу тяговой турбины, Н·м; - постоянная величина, равная максимальной частоте вращения вала тяговой турбины, мин-1; - угловой коэффициент, мин-1/(Н·м); - минимальная частота вращения вала тяговой турбины, мин-1; - часовой расход топлива ГТД, кг/ч; - номинальная мощность ГТД, кВт. Для оценки эффективности функционирования газотурбинного трактора (ГТТ) в составе МТА необходимо обосновать оптимальные значения установочных допусков на уровень настройки энергетических и технико-экономических показателей. Оптимальное значение установочного допуска по параметру представляет собой алгебраическую разность между номинальным и экстремальным значениями параметра МТА. Базовое значение параметра соответствует его номинальному значению в заданном режиме работы МТА. Экстремальные (или оптимальные) значения установочного допуска на энергетические и технико-экономические параметры МТА определяются следующим образом. 1. Крутящий момент на валу тяговой турбины ГТД: , (1) где - экстремальное (оптимальное) значение момента на валу тяговой турбины, соответствующее критериям оптимальности или ; - постоянная величина и угловой коэффициент, определяемые по типовой характеристике ГТД (см. таблицу); - коэффициент вариации момента сопротивления на валу тяговой турбины. 2. Эффективная мощность ГТД: , (2) где - экстремальное (максимальное) значение эффективной мощности ГТД; . 3. Удельный эффективный расход топлива: , (3) где - экстремальное (оптимальное) значение удельного эффективного расхода топлива ГТД; - коэффициент, пропорциональный часовому расходу топлива при ; - функция, зависящая от коэффициента вариации эффективной мощности ГТД; - коэффициент вариации эффективной мощности ГТД; - коэффициент вариации момента сопротивления на валу тяговой турбины. 4. Производительность МТА с ГТТ: , (4) где - экстремальное (максимальное) значение производительности МТА с ГТТ; ; - тяговый КПД трактора на рабочем режиме; - коэффициент использования времени работы МТА; - удельное сопротивление МТА, кН/м. В качестве примера на рисунке представлены зависимости экстремальных значений установочных допусков , и от коэффициента вариации нагрузки пахотного агрегата ГТТ+ПНИ-8/9-40. Для оценки уровня загрузки пахотного агрегата ГТТ+ПНИ-8/9-40 обосновано оптимальное значение установочного допуска на уровень настройки по крутящему моменту на валу тяговой турбины при коэффициенте вариации нагрузки и частоте вращения турбокомпрессора : или от 0 до 10% от величины . Предельные значения установочных допусков на уровень настройки других энергетических и технико-экономических показателей пахотного агрегата ГТТ+ПНИ-8/9-40 в интервале изменения коэффициента вариации нагрузки равны: - эффективная мощность ГТД при или от 0 до 10% от ; - удельный расход топлива ГТД или от 0 до 14% от ; - производительность пахотного агрегата (по площади) или от 0 до 10% от . На энергетические и технико-экономические показатели пахотного агрегата ГТТ+ПНИ-8/9-40 при установлены следующие нормативные значения эксплуатационных допусков: - крутящий момент на валу тяговой турбины или 2,7% от ; - эффективная мощность ГТД или 2,7% от ; - удельный расход топлива ГТД или 3% от ; - производительность пахотного агрегата (по площади) или 2,7% от . Результаты исследований [1, 2, 4, 5] свидетельствуют о том, что производительность пахотного агрегата с трактором «Кировец», оснащенным ГТД, в условиях испытаний на 17-23% превышала аналогичный показатель пахотного агрегата с трактором «Кировец» с обычным дизельным двигателем. Удельный расход топлива у пахотного агрегата с трактором К-701, оснащенным ГТД, был всего на 10% больше, чем с трактором К-701 с дизельным двигателем. Для трактора К-701 с ГТД исключена вероятность того, что двигатель заглохнет, следовательно, устранены связанные с этим потери рабочего времени и снижение производительности труда. Неустановившийся характер внешней нагрузки вызывает уменьшение эффективности работы названных агрегатов с ГТД всего на 3-5% против 17-20% у агрегатов с дизельным двигателем [3]. Представляет интерес проведение широкомасштабных научно-исследовательских работ по разработке высокоэффективных и экологически безопасных тракторов с.-х. назначения различных тяговых классов с применением многотопливных ГТД. Результаты таких исследований послужат основой создания энергетических средств нового поколения для энергосберегающих и экологически безопасных технологий производства с.-х. продукции в растениеводстве.