Comparative characteristics of diesel engines and gas turbine power plants for mobile vehicles

Full Text

Введение Современные отечественные самодвижущиеся транспортные средства - автомобили и тракторы - оборудованы дизельным или бензиновым двигателем внутреннего сгорания, механической или автоматической коробкой переключения передач, а также ведущими и ведомыми мостами. Такая кинематическая схема, проверенная временем, неплохо себя зарекомендовала. Такие транспортные средства нашли широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, на транспорте и в армии. Механическая передача крутящего момента от двигателя на ведущие колёса происходит через несколько ступеней шестерёнчатых пар, расположенных в коробке переключения передач, дифференциале, бортовых конечных передачах, что существенно увеличивает материалоёмкость, стоимость и снижает надёжность всей конструкции и КПД передачи. Цель исследования Разработать новую кинематическую схему энергетической установки мобильного транспортного средства сельскохозяйственного назначения с более высокой надёжностью, более продолжительным ресурсом и сниженными масса-габаритными параметрами силовой установки. Материалы и методы Транспортные средства повышенной мощности - железнодорожные тепловозы серии ТЭ109, 2ТЭ10, карьерные самосвалы БЕЛАЗ-75600, Caterpillar-797, Terex 33-19 Titan и тракторы ДЭТ-400 -- имеют электромеханическую трансмиссию, которая существенно облегчает управление этими машинами, они имеют меньший шум и вибрацию [1, 2, 3, 4]. Такие трансмиссии применяются на тяговых машинах, которым необходима большая масса. Существуют транспортные троллейвозы, работающие в карьерах и шахтах и исключающие загазованность и образование дыма. Их применение целесообразно там, где имеются сложности с выветриванием загрязняющих веществ в воздухе и где имеется большая разница между затратами на дизельное топливо и стоимостью электроэнергии [5, 6]. Анализируя существующие кинематические схемы и электроприводы вышеперечисленных транспортных средств, установили, что энергетические установки, состоящие из дизельного двигателя и электрогенератора, составляют 20 - 30% от общей массы транспортного средства. Описанные выше транспортные средства оснащены дизельными двигателями, основными недостатками которых являются большой вес двигателя, повышенная вибрация и что особенно критично, невысокая частота вращения. На дизельных тракторах, комбайнах и других самоходных машинах сельскохозяйственного назначения применяются дизельные двигатели с частотой вращения 1,5 - 2,5 тысячи мин-1, в соответствии с этими оборотами выбирается силовой электрогенератор. Анализ технических характеристик дизельных двигателей показывает, что на 1 кВт мощности дизельного двигателя приходится 3,5 - 5 кг его массы. В таблице 1 приведена удельная масса некоторых современных двигателей. Таблица 1 Удельная масса дизельных двигателей, кг/кВт Транспортное средство Двигатель Номинальная частота вращения, мин-1 Мощность, кВт Масса, кг Удельная масса, кг/кВт ДЭТ 250 1500 246 1000 4.06 John Deere 6068DF158 1600 139 522 3.75 Caterpillar CAT D9R 1500 447 1500 3.35 Case 1650L WT 1700 116 612 5.27 Эти дизельные агрегаты являются приводами для силовых синхронных и асинхронных генераторов, применяемых на тракторах, частота вращения которых составляет 1500 - 2300 мин-1. Из-за низкой частоты вращения масса таких генераторов сопоставимо с массой двигателя. В таблице 2 приведена удельная масса силовых генераторов. В сельскохозяйственном производстве эти машины из-за своих высоких масса-габаритных параметров, отражающихся на удельном давлении на грунт, не находят применения. Ставится задача разработать сельскохозяйственные мобильные транспортные средства энергетическими силовыми модулями с низкой собственной массой. Таблица 2 Удельная масса силовых генераторов, кг/кВт Электрогенератор Номинальная частота вращения, мин-1 Электрическая мощность, кВт Масса, кг Удельная масса, кг/кВт Синхронный генератор Leroy-Somer LSA 44.3 L10 /Франция/ 1500 120 433 3,6 Синхронный генератор Linz Electric PRO28S D/4 /Италия/ 1500 200 741,5 3,7 Синхронный генератор ИГ-250 /Россия/ 1500 250 1120 4,48 STAMFORD PI144E9311 /Англия/ 1500 27,5 133,7 4,8 Предлагается кинематическая схема мобильного транспортного средства сельскохозяйственного назначения с электромеханической трансмиссией, которая предполагает использование в качестве двигателя в отличие от традиционных бензиновых и дизельных двигателей газотурбинный силовой модуль с электрогенератором. В начале 90-х годов на мировом рынке энергооборудования появились микротурбины [7]. Микротурбинные установки (МГТУ) работают по тому же принципу, что и стационарные газотурбинные агрегаты, но имеют меньшие размеры и, соответственно, мощность (до 400 кВт) [8]. Также важной чертой этих установок является компактность конструкции [9]. По своей конструкции, микротурбины бывают осевые и радиальные. Осевые турбины применяются там, где некритичны габаритные размеры. Радиальные турбины имеют меньшие размеры при той же мощности. Основным отличием радиальных турбин от осевых являются следующие аспекты: 1. Турбокомпрессор такого типа особенно пригоден для малых газотурбинных двигателей, так как путем конструктивного соединения турбины с крыльчаткой компрессора с таким же наружным диаметром можно сделать конструкцию более компактной [10, 11]. 2. Ротор радиальной центростремительной турбины в отличие от ротора осевой турбины, состоящего из диска и отдельных лопаток, может быть изготовлен более дешевым способом из поковки или путем точного литья [10]. 3. Радиальная турбина малых размеров теоретически может быть даже более эффективной, чем соответствующая осевая турбина вследствие значительно меньшего влияния числа Рейнольдса на ее характеристики и, следовательно, масштабности [10]. 4. Радиальная турбина имеет более высокую прочность и надежность в работе по сравнению с осевой турбиной [10]. 5. Лопатки радиальной турбины практически нечувствительны к действию малых твердых частиц, оказавшихся в газообразных продуктах сгорания, в то время как попадание твердых частиц на лопатки осевой турбины может вызвать серьезную эрозию лопаток [10]. 6. Радиальная турбина имеет более высокие перепады давлений в ступени, чем турбина осевого типа. Для перепадов давлений в ступени, порядка 3 или 4, может быть применена 2-х или 3-х ступенчатая радиальная турбина [10]. 7. Радиальная турбина с регулируемыми сопловыми лопатками может сохранять свой расчетный (максимальный) КПД в относительно широком диапазоне мощностей и, таким образом, иметь значительно лучшие характеристики при частичных нагрузках, чем турбина осевого типа [10]. 8. Как и осевая, турбина радиального типа, используемая как свободная или силовая, имеет такие же характеристики максимального крутящего момента при запуске на малой частоте вращения [10]. Газотурбинный двигатель имеет большую частоту вращения, чем дизельный или бензиновый двигатель, что существенно снижает его масса-габаритные характеристики. Турбина ТС-21, в состав которой входит газотурбинный двигатель и электрогенератор, при общем весе 50 кг обеспечивает электрическую мощность 59 кВт, при частоте вращения ротора 50500 мин-1 [12]. На рис. 1 представлен внешний вид ТС-21. Рис. 1. Газотурбинный электрогенератор ТС-21 Более мощный газотурбинный электрогенератор ВК-150 мощностью 86 кВт имеет массу 46,5 кг. Газотурбинный электрогенератор ГТДЭ-117, представленный на рис. 2, мощностью 50 кВт, имеет массу 42 кг [13]. Рис. 2. Газотурбинный электрогенератор ГТДЭ-117 В таблице 3 приведена удельная масса газотурбинных силовых энергоустановок, применяемых в качестве резервных источников электроснабжения. Таблица 3 Удельная масса, кг/кВт, газотурбинных силовых установок Энергоустановка Электрическая мощность, кВт Масса, кг Удельная масса, кг/кВт Газотурбинный электрогенератор ТС-21 50 59 1,18 Газотурбинный электрогенератор ВК-150 86 46,5 0,54 Газотурбинный электрогенератор ГТДЭ-117 50 42 0,84 При сравнении масс дизельных электрогенераторов с газотурбинными, примерно равной мощности, наблюдается следующее соотношение, представленное в таблице 4 [14]. Таблица 4 Соотношение массы дизельэлектрических и газотурбинных электрогенераторов Дизельэлектрические электрогенераторы (ДЭГ) Мощн. кВт Мас-са, кг Газотурбинный электрогенератор (ГТЭГ) Мощн. кВт Мас-са, кг Соотношение масс ДЭГ к ГТЭГ KOHLER-SDMO J66K (Франция) 48 1022 ТС-21 50 59 17,3:1 GMGen GMC66 (Италия) 48 970 ГТДЭ-117 50 42 23,1:1 Гранд Моторс АД-60С-Т400-ЯМЗ (Россия) 83 1800 ВК-150 86 46,5 38,7:1 Результаты и обсуждения Кинематическая схема мобильных транспортных средств с такими энергетическими модулями предполагает использование силовых электродвигателей, масса и размеры которых зависят от частоты вращения. Для снижения массы и геометрических параметров между электродвигателем с частотой вращения 6000 мин-1 и ведущим колесом размещается понижающий редуктор. В зависимости от мощности электродвигателя и коэффициента редукции определяется крутящий момент на ведущем колесе. Блок-схема предлагаемой кинематической схемы представлена на рис. 3. Рис. 3. Электромеханическая схема транспортного средства На рис. 3 представлено: 1 - газотурбинный двигатель; 2 - свободная силовая турбина; 3 - радиатор охлаждения вала генератора; 4 - синхронный генератор; 5 - аккумуляторная станция; 6 - блок управления; 7 - двухроторный асинхронный двигатель; 8 - редуктор левого борта; 9 - редуктор правого борта. Применение высокоскоростных агрегатов, газотурбинной энергоустановки и электродвигателя, позволяет снизить масса-габаритные параметры силового оборудования примерно в четыре раза. Снижение массы силового оборудования обеспечивает снижение массы рамы, мостов, колес и т. д., так как прочностные расчёты этого оборудования производятся с учётом массы устанавливаемого оборудования. Снижение общей массы трактора влечёт снижение расхода топлива на 10-15% и уменьшение давления на грунт на 35 - 40%. Эти транспортные средства должны выполнять соответствующие сельскохозяйственные технологические операции в связи с тем, что нарушается традиционное соотношение мощности и массы трактора, так как тяговое усилие на крюке трактора напрямую зависит от массы трактора. А это, соответственно, требует разработки новой линейки навесного и пахотного оборудования. Однако в истории развития газотурбинного тракторостроения имеются примеры экспериментальных исследований, проведённых в конце восьмидесятых годов прошлого века в нашей стране. На Кировском заводе в Ленинграде был изготовлен газотурбинный трактор на базе К-700 (ГТТ) типа ЛСХИ-ЛКЗ, «Турбо», масса которого на 1,35 т. меньше аналога [15]. Сравнительные испытания проводились в ВНИИПТИМЭСХ, переименованный в 2010 г. в СКНИИМЭСХ. Результаты испытаний приведены в таблице 5 [16]. Таблица 5 Эксплуатационно-технологические показатели пахотных агрегатов на базе тракторов К-701 и К-701 «Турбо» Показатель Состав агрегата К-701 + ПН-9-35 К-701 «Турбо» + ПН-9-35 Установочная глубина вспашки, см 23 - 25 23 - 25 Рабочая скорость, км/ч 12,9 14,7 Передача КП III-4 III-4 Средняя ширина захвата, м 3,22 3,20 Время основной работы, ч 2,75 3,75 Коэффициент рабочих ходов 0,54 0,65 Объем выполненной работы, га 10,79 18,70 Производительность, га, за 1 ч: основного времени 3,92 4,98 технологического времени (без учета времени на устранение отказов МТА) 2,94 3,25 сменного времени (без учета регламентируемых затрат) 2,20 2,59 Расход топлива (за технологическое время), кг: на 1 га вспаханной площади 18,5 20,3 за 1 ч технологического времени (без учета времени на устранение отказов плуга) 54,1 65,9 Себестоимость обработки 1 га площади по расходу топлива, руб./га 1733 1334 Применяемое топлива дизельное керосин Выводы Проведенные сравнительные испытания тракторов с дизельным и газотурбинным двигателями показали высокую перспективу применения на тракторах сельскохозяйственного назначения газотурбинных двигателей. Следует учесть, что при проведении сравнительных испытаний на тракторе К-701 работал отработанный, испытанный временем и доведённый практически до совершенства дизельный двигатель ЯМЗ-260, когда на тракторе К-701«Турбо» работал экспериментальный, практически лабораторный образец, не адаптированный к механической трансмиссии. Экономическая эффективность трактора К-701«Турбо»+ПН-9-35, относительно трактора К-701+ПН-9-35 по себестоимости обработки 1 га площади по расходу топлива за счёт использования керосина превысила на 30%.

About the authors

V. A Gusarov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: cosinys50@mail.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

Z. A Godzhaev

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: fic51@mail.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files