Efficiency of application of gas turbine engines on tractors for agricultural purposes

Abstract

The article presents the research results of work of automotive gas turbine engines and of efficiency of their application on tractors for agricultural purposes. To assess the efficiency of the Kirovets tractor with gas turbine engine, the optimum values of energy and technical-economic indicators are substantiated.

Full Text

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.