Полный текст

Введение Устойчивая тенденция роста глубины карьеров и соответствующего увеличения плеча откатки в мировой практике открытой разработки месторождений определили главное направление развития карьерных самосвалов - повышение их грузоподъемности, сдерживаемое в настоящее время мощностью двигателя и возможностями применяемых шин. За период 1950-2015 гг. грузоподъемность карьерных самосвалов увеличилась почти в 14 раз [1]. В настоящее время выпускаются карьерные самосвалы Caterpillar 797F (2009) и Liebherr T 284 (2012) грузоподъемностью 363 т, Komatsu 980E-4 (2016) и XCMG XDE400 (2015) грузоподъемностью 400 т, БелАЗ-75710 (2013) грузоподъемностью 450 т (это самый большой в мире грузовик). Дальнейший рост грузоподъемности карьерных самосвалов приводит к увеличению мощности энергосилового агрегата, массогабаритных показателей двигателя и, соответственно, объема моторного отсека. Мощность двигателей силовых агрегатов современных карьерных самосвалов БелАЗ, Liebherr, Terex, Caterpillar, Komatsu, Hitachi, Sanyi, XCMG в основном не превышает 2000 кВт при грузоподъемности не более 250 т. Для карьерных самосвалов грузоподъемностью более 250 т применяются либо два двигателя, либо двигатели с увеличенными габаритами (с числом цилиндров 18, 20). При этом отношение мощности двигателя к грузоподъемности самосвала уменьшается от 10 до 7,5 кВт/т. Аналогично уменьшается энерговооруженность (отношение мощности двигателя к массе груженого самосвала) с 6,9 до 3,7 кВт/т, а удельная материалоемкость (отношение массы порожнего самосвала к мощности двигателя) повышается от 54,4 до 122,0 кг/кВт. С увеличением мощности двигателя возрасают объемы потребляемого топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу. Увеличение объемов производства также способствует повышению потребления энергии и выбросов выхлопных газов. Анализ развития открытых горных работ месторождений России показывает их постепенное смещение в удаленные северные районы с увеличением глубины карьеров до 500-600 м. Из практики известно, что на каждые 100 м понижения горных работ себестоимость транспортирования самосвалами горной массы возрастает на 20-30 %, а экологическая обстановка в карьере ухудшается [2, 3-6]. Движение карьерных самосвалов при глубине карьеров более 200 м осуществляется по серпантину на крутых уклонах. Из-за большого угла подъема дорог двигатель самосвала нагружается на полную мощность при малой скорости движения, что увеличивает объем выбросов токсичных веществ и расход топлива в 2-3 раза. С понижением горизонта условия естественной вентиляции рабочей зоны ухудшаются, из-за чего в карьере накапливаются отработанные газы. Этот загрязненный воздух, поступая в работающий двигатель, приводит к неполному сгоранию топлива и, следовательно, к повышенному расходу моторного топлива и объему выбросов выхлопных газов. Это дополнительно ухудшает экологическую обстановку, создает угрозу здоровью работающего персонала и оказывает значительное влияние на производительность работ за счет увеличения перерывов в работе из-за загазованности карьеров [3, 7-10]. В последнее время к двигателям транспортных средств предъявляются более жесткие требования по снижению уровня токсичности выхлопных газов. Основными нормируемыми токсичными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводороды. Их содержание, в свою очередь, определяется количеством кислорода, находящегося в камере сгорания двигателя при горении, т.е. коэффициентом избытка воздуха, а также рядом других факторов. Цель работы - анализ возможности применения газотурбинных двигателей для карьерных самосвалов в условиях севера. К многолетней экологической проблеме горных выработок, разрабатываемых открытым способом, прибавилась и высокая стоимость транспортных расходов вследствие непрекращающегося роста цен на моторное топливо. Дефицит жидкого нефтяного моторного топлива, а также высокое загрязнение воздуха продуктами его сгорания вызвали необходимость поиска альтернативных топлив. Единственным экономически оправданным альтернативным топливом в настоящее время признан природный газ, который можно применять в качестве моторного топлива без какой-либо переработки, кроме обязательной технологической стадии добычи и транспортировки газа. По прогнозам, в ближайшей перспективе основным моторным топливом станет природный газ [11-14]. В настоящее время мировое двигателестроение рассматривает возможности расширения применения природного газа. Природный газ в качестве моторного топлива используется в виде сжиженного углеводородного газа, сжиженного природного газа и компримированного природного газа. Преимущество использования газомоторного топлива заключается в низком уровне вредных выбросов в атмосферу и относительно низких затратах на его производство. Методология проведения исследований Еще в 1969 г. БелАЗ создал 120-тонный газотурбинный грузовик БелАЗ-549В с турбиной мощностью 1200 л. с. (производство Ярославля), а в 1970 г. Госкомитет по науке и технике утвердил план внедрения газотурбинных двигателей: к нему были подключены ГАЗ, МАЗ, МоАЗ, БелАЗ и КрАЗ. В Горьком было создано семейство газотурбинных двигателей ГАЗ-99 мощностью до 250 л. с. В 1973 г. был построен первый газотурбинный МАЗ, а затем появился КрАЗ-260. ГАЗ довел мощность агрегата до 350 л. с. Турбине требовался громоздкий понижающий редуктор: вал вращался со скоростью 35 тыс. об/мин, чего не выдержала бы ни одна трансмиссия. Поскольку подходящих коробки передач и сцепления в СССР не было, их купили в Венгрии. Полученный двигатель весил вдвое меньше, нежели привычный дизельный двигатель для большегрузных автомобилей, выпускаемый Ярославским моторным заводом, выхлоп был чище в 3-6 раз, расход топлива на номинальных режимах на целых 20 % ниже, чем у дизеля. Известно, что машина прошла 2500 км, при этом больше всего проблем было с венгерской трансмиссией: как указано в книге по истории завода, «она не выдерживала никакой критики». В 1976 г. был построен второй экземпляр: агрегат удалось сделать более компактным. В то же время мощность была увеличена еще на 10 л. с., а расход топлива в установившемся режиме был совсем скромным - в 1,4 раза меньше, нежели у дизеля. Но на переходных режимах (разгон - торможение) расход топлива был огромный. К этой проблеме добавились и другие вполне закономерные: динамика оставляла желать лучшего, трансмиссия постоянно ломалась. Несмотря на многие достоинства газотурбинного двигателя, один-единственный недостаток, расход топлива, сводил на нет все преимущества. На этом эксперименты завершились. За прошедшие 50 лет в двигателестроении появились новые материалы и технологии. В наши дни газо-турбинные двигатели широко используются в авиации [15], судостроении [16-18], в газо- и нефтеперекачивающих установках [19, 20], их пробуют применять на железнодорожном транспорте [21, 22]. В последнее время вновь возрос интерес к использованию газотурбинных двигателей для силовых установок наземного автотранспорта [23-26]. Об этом свидетельствуют работы ООО «Курганмашзавод» (перспективная боевая машина пехоты «Рыцарь»), ООО «КамАЗ» (платформа легкой серии), а также продолжающаяся в Самарском ОАО «Кузнецов» и ФГУП «НПЦ газотурбостроения “Салют”» доводка двигателей для газотурбовозов [27, 28]. Автомобильные газотурбинные двигатели предназначены для карьерных самосвалов и автопоездов, т.е. машин большой единичной мощности. Грузоподъемность таких машин достигает 100-450 т при мощности двигателя 750-3500 кВт. Для сравнения были проанализированы показатели современных поршневых двигателей для карьерных самосвалов, выпускаемых Ярославским моторным заводом, Cummins, MTU, DEUTZ, Detroit Diesel, и газотурбинных двигателей, выпускаемых фирмой «Объединенная двигателестроительная корпорация». Сравнение проводили на основе оценки следующих показателей: ge - удельный расход топлива (г/кВт·ч), принят на основе данных каталогов, где Муд - удельная масса двигателя, кг/кВт; Мдв - масса сухого (незаправленного) двигателя, кг; Ne - номинальная мощность двигателя, кВт; Nг - габаритная мощность двигателя, кВт/м3; Vдв - объем двигателя в подкапотном пространстве, м3, определяемый как произведение его габаритных размеров, м, длины, ширины и высоты. Результаты работы В нашей стране накоплен богатый научно-практический опыт изучения газотурбинных двигателей. Существующие материалы, например [25, 27-36], и проведенный сравнительный анализ поршневых и газотурбинных двигателей аналогичной мощности автомобильного назначения (рисунок) позволяют отметить следующие технические и эксплуатационные преимущества газотурбинных двигателей: а б в Рис. Зависимости удельной массы двигателя от его мощности (а); габаритной мощности двигателя (б); удельного расхода топлива двигателя (в); 1 - поршневый; 2 - газотурбинный 1. Удельная масса газотурбинного двигателя значительно меньше и не превышает 25-30 % массы поршневого двигателя (см. рис., а), что дает возможность облегчить моторную раму и повысить грузоподъемность самосвала. 2. ГТД обладает более высокой удельной мощностью (отношение мощности двигателя к его массе). 3. Габаритная мощность ГТД также выше, чем у поршневого двигателя (см. рис., б). Например, если для поршневого двигателя мощностью 2000 кВт можно получить примерно 200 кВт с 1 м3 двигателя, то для ГТД этот показатель будет почти в 2,5 раза выше - примерно 500 кВт/м3. Следовательно, для ГТД характерен 2-3-кратный запас по габаритам пространства в моторном отсеке самосвала. 4. Благоприятное изменение крутящего момента двигателя в зависимости от частоты вращения вала двигателя (крутящий момент возрастает при уменьшении частоты вращения). 5. Возможность использования более дешевого газового топлива и практическое отсутствие расхода масла. 6. Значительно меньшее количество деталей двигателя (в основном пар трения скольжения и меньшая нагрузка на подшипники, что увеличивает межремонтный пробег) [25-27, 31-33, 35]. 7. Низкая токсичность выхлопных газов. В связи со спецификой принципа работы ГТД (расход воздуха двигателем в 3-4 раза больше, чем у дизеля равной мощности) его отработавшие газы обладают значительно меньшей токсичностью (табл. 1) [28, 36-39]. 8. Облегчен запуск в условиях низких температур окружающего воздуха. На территориях Сибири и Крайнего Севера из-за проблем запуска двигателя при низких температурах дизели часто не глушатся в течение всего зимнего периода. Вследствие этого вырабатывается ресурс двигателя, происходит значительный перерасход топлива и наблюдается увеличение объемов выбросов выхлопных газов. Время подготовки транспортного поршневого дизельного двигателя со специальной системой подогрева при температуре воздуха -40 оС к пуску составляет 40-50 мин. Необходим разогрев двигателя перед пуском для уменьшения трения в опорах коленчатого вала, в паре поршень - гильза, а также подогрев масла для уменьшения его вязкости, тогда как для транспортного ГТД при температуре окружающего воздуха - 40 °С время подготовки двигателя к пуску составляет 3-5 мин вследствие отсутствия ударных и знакопеременных нагрузок в опорах и применения маловязкого масла [27, 36, 37, 40]. 9. Малая трудоемкость и стоимость технического обслуживания. Объем технического обслуживания ГТД существенно меньше, чем дизеля, вследствие отсутствия системы жидкостного охлаждения, регламентных регулировок системы топливоподачи и смены масла. Особенно различие в объемах обслуживания проявляется в зимних (северных) условиях, когда исключается необходимость в системе подогрева. По различным оценкам, включая опыт эксплуатации на Таблица 1 Показатели токсичности выхлопных газов двигателей Двигатель Токсичный компонент, г/кВт ч NOX СО СН сажа Дизельный Cummins (TierII) 6,0 3,5 1,1 0,3 ГТД ГАЗ 1,2 0,73 0,16 0,01 ГТД-1250 1,2 0,73 0,14 0,01 ГАЗе [28, 36, 41], трудоемкость и стоимость технического обслуживания ГТД составляет 50 % в сравнении с дизелем при одновременном увеличении коэффициента использования автомобильного парка от 5 до 15 %. Кроме этого, при равенстве мощностей дизеля и ГТД производительность автомобиля увеличивается за счет лучшей тяговой характеристики (в случае трансмиссии с механической коробкой передач) или более высокого КПД трансмиссии. 10. Возможность использования более простой, надежной и дешевой трансмиссии. 11. Практическое отсутствие вибраций и крутильных колебаний. 12. Возможность длительно работать в условиях высокой запыленности воздуха, достигающей на входе в воздухоочиститель силовой установки примерно 2,0-2,5 г/м3, а иногда и выше, что особенно важно для карьерных самосвалов. По сравнению с эквивалентным поршневым двигателем ГДД работают плавно и тихо, они могут функционировать на различных типах углеводородного топлива, им присуща простота механической конструкции, что оборачивается повышенной надежностью и увеличением срока службы. При установке на транспортные средства большой грузоподъемности с дизельной силовой установкой гидротрансформаторов возникают дополнительные потери, выражающиеся в увеличении расхода топлива на 10-16 % в режиме трансформации и 4-6 % в режиме блокировки. Кроме того, в дизельных установках имеются большие потери мощности на привод вентилятора системы охлаждения (10-12 %) [24, 35-37, 41]. В то же время уровень удельного расхода топлива у ГТД несколько выше, чем у поршневого, и с ростом мощности двигателей увеличивается. Это связано с более низким КПД газотурбинных двигателей (см. рис., в). Высокая экономичность дизеля общеизвестна, но это утверждение не является абсолютным и зависит от условий эксплуатации самосвала. Например, при понижении температуры окружающей среды (зимний период или в северных районах) экономичность ГТД значительно увеличивается. При уменьшении температуры с +20 до -20 oС минимальный удельный расход топлива ГТД ГАЗ-902 уменьшается более чем на 10 %, тогда как расход топлива дизеля, наоборот, увеличивается на 8-10 % [31, 34, 36, 40]. Удельный расход топлива дизельного двигателя карьерного самосвала в среднем составляет 182-212 г/кВт ч. Например, в условиях Удачнинского горно-обогатительного комбината АК «АЛРОСА» удельный расход топлива дизельного двигателя карьерного самосвала Cat-785B при номинальной нагрузке составляет 209 г/кВт ч [42]. Современные образцы ГТД автомобилей и судов имеют удельный расход топлива 200-270 кг/кВт ч [28, 35, 43], что сравнимо с показателями дизельного двигателя. Как показали проведенные исследования [25], современные ГТД можно использовать для мощной внедорожной техники, в том числе карьерных самосвалов. Так, например, в продажу уже поступил серийный промышленный карьерный самосвал БелАЗ грузоподъемностью 90 т. В качестве силовой установки используется газотурбинный двигатель ГТД-1250 мощностью 1250 л. с. (920 кВт), выпускаемый ПАО «Калужский двигатель» [44]. Двигатель имеет массу 1050 кг, удельный расход топлива 225 г/л (табл. 2) и значительно более низкий уровень выброса токсичных веществ. Преимуществами использования ГТД-1250 являются: - максимальный КПД привода благодаря высокой приспосабливаемости ГТД и использование механической трансмиссии без гидротрансформатора; - рекордно низкие в своем классе масса и габариты силового привода насоса; - возможность работать в режиме ГРП на высшей передаче с максимальной производительностью благодаря эластичному газовому приводу силовой турбины, без риска разрушения трансмиссии (обеспечена работа меньшим количеством УН2250 по сравнению с дизельными установками); - возможность длительно передавать момент на остановленный вал насоса при опрессовке; - отсутствие внешнего пускового устройства; запуск без предпускового подогрева встроенным электростартером за 60 с при температуре -40 оС; Таблица 2 Сравнение двигателей ГТД-1250 с дизельным двигателем равной мощности [45] Характеристика Дизельный Двигатель мощностью 2250 л. с. Два двигателя ГТД-1250, суммарная мощность 2250 л с. Масса без обвязки системами, кг 6155 2100 (2´1050) Удельная мощность, кВт/кг 0,298 0,875 Коэффициент приспособляемости (Мmax при n min/M при n соответствует Pmax) 1,3 2,5 Количество передач в агрегатируемой трансмиссии 8 4 Емкость жидкостной охлаждающей системы двигателя, л 830-850 0 Емкость масляной системы двигателя, л 210-240 90 (2´45) Расход масла двигателя, кг/ч 2 0,02 Внешний привод для запуска Гидравли-ческий Не требуется Мощность внешнего привода гидростартера и вентилятора радиаторов, л. с. 160 0 Емкость масляной системы стартера, л 100 0 Тип воздушных фильтров Контактные (сменные) Циклонные Показатели токсичности отработанных газов NOx /CO/сажа, г/кВт ч 3,5/3,5/0,1 (TIER4) 1,2/0,73/0,01 Устройства и системы зимнего запуска Webasto 30 кВт, впрыск эфира Не требуются Примечание: Мmax - максимальный крутящий момент двигателя, М - крутящий момент двигателя при частоте вращения коленчатого вала n, соответствующей максимальной мощности Pmax, nmin - минимальная частота вращения коленчатого вала. - меньший износ деталей ГТД за счет отсутствия пар трения и фактическое отсутствие расхода масла «на угар»; - экологическая чистота отработанных газов ГТД, их использование в зимнее время для эффективного подогрева моторно-трансмиссионного отсека, плунжерного насоса и его систем (10-15 мин подогрева для выдачи полной мощности); - простейшее трехточечное крепление двигателей без использования амортизаторов за счет идеальной сбалансированности ГТД и отсутствия вибрации; - минимальное количество внешних подключений; возможность замены ГТД в полевых условиях в течение 4 ч; - отсутствие громоздкой жидкостной системы охлаждения и значительной потери мощности на привод ее вентилятора, меньшие затраты на охлаждение маслосистемы. Газотурбинный двигатель ГТД-1250 предназначен для использования в качестве маршевого двигателя для наземных большегрузных транспортных средств на гусеничном и колесном ходу. Выводы Малая масса и компактные размеры, возможность получения большой мощности в одном агрегате и дистанционного управления наряду с его легким и надежным пуском при низких температурах делают газотурбинный двигатель весьма привлекательным для использования на большегрузных карьерных самосвалах, автопоездах с активными прицепами и полуприцепами, особенно в северных и арктических районах.

Об авторах

Марк Леонтьевич Хазин

Автор, ответственный за переписку.
Email: Khasin@ursmu.ru
620144, Россия, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

доктор технических наук, профессор кафедры эксплуатации горного оборудования

Петр Иванович Тарасов

Email: petr.tarasov95@mail.ru
620144, Россия, г. Екатеринбург, ул. Хохрякова, 87

кандидат технических наук, заместитель директора по научной работе

Виталий Витальевич Фурзиков

Email: furzikovvv@mail.ru
620137, Россия, г. Екатеринбург, ул. Фронтовых бригад, 18

заместитель начальника департамента разработки нового семейства дизелей по экспериментальным работам

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 545

PDF (Russian) - 206

PDF (English) - 99

Ссылки

• Ссылки не определены.