1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что экономичнее газотурбинный или дизельный двигатель

Что экономичнее газотурбинный или дизельный двигатель

ПАО «КАДВИ» производит силовые модули для маневровых многотопливных газотурбовозов. Модули разработаны на основе ГТД-1250 для нужд ОАО «РЖД» и промышленных предприятий (химических, металлургических, горнодобывающих и т.д.)

В энергетической стратегии РЖД на период с 2010 по 2030 гг указана целесообразность использования ГТД на железнодорожном транспорте, и в соответствии с этим была поставлена задача разработки новых локомотивов мощностью до 10 тыс. кВт.

Новые магистральные газотепловозы и газотурбинные локомотивы будут использовать альтернативные источники энергии. Кроме того, производство подвижного состава нового поколения реализуется на территории Российской Федерации, что выполняет задачу импортозамещения.

Существующие проблемы эксплуатации маневровых тепловозов:

  • Неэффективный и неэкономичный режим работы: частые разгоны и торможения, короткие пробеги с длинными простоями между ними (с работающим двигателем, так как двигатель не выключается в течение всей смены из-за проблем в запуске, особенно в зимних условиях)
  • быстрый разряд аккумуляторных батарей при частых запусках дизеля
  • низкая средняя скорость — 8 км/ч
  • нестабильная работа дизеля с переходами от холостого хода на тягу
  • частая работа двигателя в форсированном режиме при неполном сгорании топлива
  • за смену маневровый тепловоз работает на холостом ходу до 80% рабочего времени

Всё это ведёт к высокому расходу топлива, низкому КПД локомотивов, вредным выбросам в окружающую среду продуктов сгорания дизельного топлива и шумовому загрязнению территорий, прилегающих к железной дороге.

Преимущества применения ГТД-1250 ПАО «КАДВИ» в составе маневровых тепловозов:
1. Снижение себестоимости железнодорожных перевозок
2. Минимальные затраты на реализацию проекта
3. Сокращение негативного воздействия на окружающую среду.

Предлагаемое эффективное решение:

  • Газотурбинный двигатель в 2 раза меньше и в 6 раз легче аналогичного дизельного двигателя.
  • Ресурс ГТД выше и составляет до 20 000 часов
  • бесперебойная работа на разных видах топлива
  • надёжный запуск благодаря собственной системе запуска, состоящей из двух стартеров-генераторов
  • малый расход топлива
  • повышенная экологическая безопасность

Технические параметры ГТД-1250

ПараметрЗначение
Мощность, л.с./кВт1250 / 920
Компрессорцентробежный, двухступенчатый, πк=10,5
Турбинаосевая, трёхступенчатая со свободной турбиной
Температура газа, К°1330
Частота вращения выходного вала, об/мин3140 с установкой промежуточного редуктора 1500
Топливосжиженный газ, дизельное топливо, керосин
Масса, кг1050
Температура наружная, tн, °С-50 … +50, отсутствуют проблемы запуска при низких температурах
Время запуска, минне более 1, количество запусков не ограничено
Удельный расход топлива, г/л.с.*чне более 225
Расход дизельного топлива на стояночном малом газе, кг/часне более 30
  • Собственная система запуска, состоящая из двух стартер-генераторов постоянного тока, с выдачей при работе турбокомпрессора электроэнергии 18 кВт и 12 кВт
  • Регулируемый сопловой аппарат свободной турбины позволяет при остановленном локомотиве работать турбокомпрессору
  • Запас по габаритам позволяет установить теплообменник для значительного выигрыша в топливной экономичности

При переходе с дизельного топлива на газ мощность ГТД увеличивается на 10%, что ведет к сокращению расходов на топливо и улучшает экологическую обстановку.

Конструктивные преимущества:

  • остаются без изменений основные узлы тепловоза: рама, тележки с тяговыми электродвигателями, редукторами, кабина машиниста, аккумуляторный отсек, электросистема тепловоза, тормозная система;
  • сохраняется привод от тягового генератора воздушного компрессора, возбудителя синхронного ентилятора охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки;
  • исключается дизельный двигатель, воздухоочиститель, масляный термостат, фильтры масляные, секции радиаторные охлаждающие, редуктор и вентилятор холодильной камеры, камера холодильника, насос маслоподкачивающий, бак масляный, бак водяной системы охлаждения.

Существует два варианта встраивания ГТД.

1 вариант: встраивание ГТД-1250 в маневровый тепловоз ТЭМ-2 (ТЭМ-18) с обеспечением работы на сжиженном природном газе (СПГ) с сохранением существующего тягового генератора постоянного тока.

2 вариант: встраивание в маневровый тепловоз ГТД-1250 с высокочастотным генератором, соединённым с силовой турбиной напрямую, при этом исключается промежуточный редуктор, что значительно повышает ресурс ГТД-1250.

Уфимские двигатели прогресса

Фото: ОДК-УМПО

17 июля 1925 года началась история ОДК-Уфимского моторостроительного производственного объединения (ОДК-УМПО). Предприятие прошло огромный путь от изготовления дизельных комбайновых моторов до выпуска турбореактивных двигателей для авиации. Благодаря освоению сложнейших технологий и созданным работниками ОДК-УМПО уникальным двигателям поднялись в небо многие боевые самолеты, в том числе такие легенды, как МиГ-21, Су-27, Су-34 и многие другие.

Сегодня УМПО участвует практически во всех ключевых программах российского авиадвигателестроения. Предприятие является головным разработчиком и производителем двигателей для истребителей пятого поколения Су-57, работает по проекту ПД-14 для гражданского самолета МС-21, выпускает компоненты вертолетных двигателей типа ВК-2500 и наземные установки для газоэнергетической отрасли.

История уфимских моторов

95 лет назад на базе авторемонтных мастерских бывшего акционерного общества «Русский Рено» города Рыбинска был основан авиамоторный завод. Через два года новое предприятие заработало под номером 26. В 1928 году завод на Верхней Волге выпустил первые моторы для советской авиации. Например, рыбинские двигатели устанавливались на гигантский самолет АНТ-9, пролетевший 9000 км через всю Европу.

В 1931 году в 1400 км на восток от Рыбинска, в Уфе, было запущено строительство завода по производству моторов для комбайнов. В 1940 году уфимское предприятие передано в ведение Наркомата авиационной промышленности. С началом Великой Отечественной войны в Уфу эвакуируется рыбинский завод и другие производители авиамоторов. Все они объединяются под номером 26.

Благодаря самоотверженному труду моторостроителей за годы войны на заводе было выпущено более 51 тыс. авиамоторов, которые поднимали в небо самолеты Яковлева, Лавочкина, Петлякова и др. На каждом третьем советском боевом самолете стоял уфимский двигатель. Самолет Як-9У с мотором ВК-107А был признан самым быстрым истребителем Второй мировой. А самым массовым мотором в период Великой Отечественной стал М105-ПФ. В Уфе их было произведено более 35 тыс. штук. За станками работали женщины и подростки. С 1942 по 1945 годы завод 23 раза завоевывал знамя Государственного Комитета Обороны, а в 1945 году был награжден орденом Красного Знамени. Так труд моторостроителей был приравнен к боевому подвигу.

После Великой Отечественной войны завод выпускает реактивные авиадвигатели, осваивает производство двигателей для ракет различного класса. Уфимские двигатели устанавливаются практически на все отечественные истребители. За 95 лет завод выпустил силовые установки для 170 модификаций самолетов. В их числе – самый массовый истребитель третьего поколения МиГ-21, истребитель-бомбардировщик МиГ-27, перехватчик Су-22, штурмовик Су-25.

В 1978 году завод становится Уфимским моторостроительным производственным объединением. С начала 1980-х годов на УМПО выпускается один из лучших в мире двигателей для фронтовой авиации − двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой АЛ-31Ф. Он устанавливается на истребители Су-27 и его модификации. Этот двигатель стал базовым для большого семейства и сегодня сохраняет потенциал для развития.

В настоящее время ОДК-УМПО входит в Объединенную двигателестроительную корпорацию Ростеха и является крупнейшим разработчиком и производителем авиадвигателей в России. В состав предприятия в качестве филиалов включены ОКБ им. А. Люльки и Лыткаринский машиностроительный завод. ОДК-УМПО участвует в ряде масштабных проектов Корпорации – это выпуск двигателя для истребителя пятого поколения Су-57, деталей и узлов двигателя ПД-14 для гражданского авиалайнера МС-21, компонентов для вертолетной силовой установки ВК-2500 и создание новых газотурбинных приводов для газоэнергетики.

«Изделие 30»: двигатель пятого поколения

Российский истребитель пятого поколения Су-57 впервые поднялся в воздух с двигателями уфимского производства АЛ-41Ф-1 в 2010 году. Двигатель является глубокой модернизацией бестселлера предприятия АЛ-31Ф. Его отличают полностью цифровое управление и плазменная система зажигания, а также возможность достижения истребителем сверхзвуковых скоростей без применения режима форсажа.


Двигатель АЛ-41Ф-1. Фото: ОДК

В ОКБ имени А. Люльки продолжаются работы над двигателем второго этапа для Су-57. Первый полет истребителя с новой силовой установкой под условным названием «изделие 30» состоялся 5 декабря 2017 года. Именно этот двигатель обеспечивает выполнение технического задания Минобороны и может считаться силовой установкой пятого поколения. «Изделие 30» является полностью новым двигателем, а не модернизацией предыдущих.

ПД-14: экономичный и экологичный

Уфимское предприятие занимается освоением производства деталей перспективного двигателя ПД-14 для новейшего российского авиалайнера МС-21. За УМПО по данной программе закреплено изготовление около 30% деталей и сборочных единиц.

ПД-14 – первый турбовентиляторный двигатель, созданный в современной России. Он создается с использованием только отечественных деталей и материалов. Конструкторами было разработано и внедрено 16 ключевых технологий, применяется около 20 новых российских материалов. Предполагается, что эксплуатационные расходы ПД-14 будут ниже на 14-17%, чем у существующих аналогичных двигателей, а стоимость жизненного цикла ниже на 15-20%.


Двигатель ПД-14

ПД-14 должен стать базовым в семействе турбовентиляторных двигателей тягой от 9 до 18 т, включающим также промышленные энергоустановки. В 2018 году ПД-14 закончил сертификационные испытания и получил сертификат типа. В январе 2020 года на иркутский авиазавод поставлены первые двигатели ПД-14 для установки на МС-21. В настоящее время идет монтаж двигателей на лайнер для испытательных полетов.

ВК-2500: лучший для вертолетов

Еще одно ключевое направление в сегодняшней деятельности ОДК-УМПО – выпуск деталей для вертолетных двигателей ВК-2500, окончательную сборку которых осуществляет их разработчик – «ОДК‑Климов». Уфимское предприятие отвечает за производство около 32% комплектующих – это более 900 деталей и сборочных единиц для ВК-2500 и ВК-2500П (ПС). Для реализации программы в ОДК-УМПО в 2020 году введены в строй четыре современных производственно-технологических центра.


Двигатель ВК-2500ПС. Фото: ОДК

Двигатель ВК-2500 пришел на замену турбовальным ТВ3-117, ранее поставлявшимся с Украины. Новая модификация ВК-2500 имеет улучшенные технические характеристики. В частности, в нем применена современная система автоматического управления. Двигатели собираются полностью из российских комплектующих. Турбовальный ВК-2500П поднимает в небо новейшие российские боевые вертолеты Ка-52, Ми-28НЭ, Ми-35М, а его коммерческую версию ВК-2500ПС получают новые пассажирские вертолеты Ми-171А2.

АЛ-31СТ: с небес на землю

Производство ОДК-УМПО не ограничивается военными заказами и выпуском двигателей для авиации. Предприятие изготавливает ряд успешных конверсионных продуктов, в числе которых газотурбинные приводы, применяемые в газоэнергетической промышленности.

Двигатель АЛ-31СТ ведет свою родословную от авиационного АЛ-31Ф и также разработан специалистами ОКБ им. А. Люльки. Серийный выпуск организован в ОДК-УМПО. Двигатель используется в качестве привода газоперекачивающих станций. А его модификация АЛ-31СТЭ-18 задействована в приводах турбогенераторов газотурбинных энергетических установок.


Двигатель АЛ-31СТ. Фото: ОДК

Один привод АЛ-31СТ может перекачивать до 36 млн кубометров газа в сутки и обеспечивать топливом до 2,5 тыс. домов в год. Специалисты ОДК-УМПО продолжают работу над улучшением характеристик газотурбинных приводов.

События, связанные с этим

Аддитивные технологии в промышленности: 3D-печать металлом

Мнимое превосходство: газотурбинный Т-80 сравнили с дизельным Т-80УД

Долгое время такие боевые машины являлись одними из основных в Российской армии. На сравнительно короткое время их выводили на базы хранения, однако в настоящее время они снова служат в войсках. Также в части стали поступать модернизированные Т-80БВМ, которые по своим характеристикам ни в чем не уступают лучшим современным иностранным моделям.

Поэтому неудивительны попытки очернить этот замечательный танк. Одной из них стала недавняя публикация в издании The National Interest, которая просто изобилует искажениями. Создается впечатление, что американцы до сих пор не могут простить «восьмидесятому» тот конфуз, который приключился с их «Абрамсом» в Абу-Даби еще в начале 90-х годов.

На проходившей тогда выставке вооружений Т-80У восхитил специалистов и простых зрителей своей огневой мощью, необычной маневренностью и способностью совершать многометровые прыжки. За это его тогда назвали «летающим танком». А вот М1А2, попробовавший повторить часть российской программы, не справился с заданием. На одном из участков трассы он завалился на бок и не смог двигаться дальше.

Что касается упоминаемого в публикации участия газотурбинных машин в реальных боевых действиях, то, по свидетельству участников тех событий, Т-80 показали себя с самой лучшей стороны, они часто выдерживали многочисленные попадания различных противотанковых средств.

Да, действительно ГТД «ест» по сравнению с дизельным двигателем больше топлива. Однако турбина потребляет значительно меньше масла (в 16-20 раз), у нее большой ресурс, она лучше приспособлена к условиям работы в зимних условиях и на местности, имеющей радиоактивное заражение.

К тому же такие двигатели выигрывают в экологическом плане, они имеют практически чистый выхлоп, а это важно и для военной техники. Например, на совместных испытаниях в Греции в 1998 году следовавший за украинским танком экипаж получил отравление выхлопными газами и был вынужден воспользоваться респираторами.

В настоящее время украинские Т-80 с двухтактными дизельными двигателями эксплуатируются только в Пакистанской армии. Сообщалось об имеющихся у них проблемах с охлаждением силовых установок.

В то же время газотурбинные танки, кроме Российской армии, есть в вооруженных силах Кипра, Южной Кореи, Узбекистана, Украины и Йемена.

Любопытно, что на Украине решили вернуть в войска «восьмидесятые» именно с ГТД, а не с дизельными двигателями, хотя ранее была разработана программа по установке на Т-80БВ харьковских двухтактников.

На упомянутом выше Т-80БВМ существенно доработана защита, усиленная современной «реактивной броней» «Реликт». Система управления огнем «Сосна-У» позволяет применять различные боеприпасы, в том числе снаряды с сердечником из обедненного урана, а также управляемые ракеты. 1250-сильный двигатель получил так называемый режим «малого газа», существенно снижающий расход топлива.

Сообщалось, что эти танки примут участие в юбилейном параде на Красной площади.

ТУРБОВИНТОВОЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Турбовинтовой газотурбинный двигатель содержит турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной. В турбину встроен электрогенератор. Перед компрессором установлен электродвигатель, который соединен валом с воздушным винтом. Электрогенератор установлен на статоре турбины, а система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках турбины. Обмотки электрогенератора заключены в кожух, к которому подведена система воздушного охлаждения. Изобретение направлено на повышение КПД и надежности турбовинтового газотурбинного двигателя. 3 ил.

Турбовинтовой газотурбинный двигатель, содержащий турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, при этом в турбину встроен электрогенератор, отличающийся тем, что перед компрессором установлен электродвигатель, который соединен валом с воздушным винтом, обмотки электрогенератора установлены на статоре турбины, а система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках турбины, обмотки электрогенератора заключены в кожух, к которому подведена система воздушного охлаждения.

Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным двигателям.

Известна силовая установка по патенту РФ № 2189477, которая содержит газотурбинный двигатель — ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной, и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.

Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.

Известна силовая установка газотурбовоза по патенту РФ № 2272916, которая содержит газотурбинный двигатель с турбиной и свободную турбину, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, конкретно — с системой охлаждения турбины.

Недостатком является низкий КПД силовой установки.

Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ №2252316 (прототип), который содержит турбокомпрессор, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины, и не менее двух электрических машин (электрогенератор и электродвигатель), встроенных в турбокомпрессор. Система постоянных магнитов установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора, а статор электрической машины установлен на корпусе подшипниковой опоры, т.е. на малом диаметре.

Недостатки этого двигателя: очень маленькая мощность электрогенерических машин, связанная с тем, что они размещены на малом диаметре и имеют по одной ступени. Кроме того, возникают проблемы с охлаждением обмоток статора, размещенных внутри двигателя. Эта конструкция применима для использования электрической машины в качестве стартера или в качестве вспомогательного электрогенератора для питания агрегатов газотурбинного двигателя и самолета.

Задачи создания изобретения: повышение мощности электрических машин, экономичности и надежности двигателя.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что турбовинтовой газотурбинный двигатель, содержащий турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, при этом в турбину встроен электрогенератор, отличающийся тем, что перед компрессором установлен электродвигатель, который соединен валом с воздушным винтом, электрогенератор установлен на статоре турбины, а система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках турбины, обмотки электрогенератора заключены в кожух, к которому подведена система воздушного охлаждения.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…3, где:

на фиг.1 приведена схема турбовинтового газотурбинного двигателя,

на фиг.2 приведена схема охлаждения обмоток электрогенератора и электродвигателя,

на фиг.3 приведена схема электродвигателя.

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит турбогенератор 1, содержащий компрессор 2, камеру сгорания 3 и турбину 4, и выхлопное устройство 5. Газотурбинный двигатель содержит две электрические машины, электродвигатель 6, установленный перед компрессором 2, и электрогенератор 7, встроенный в турбину 4. Турбина 4 валом 8 соединена с валом 9 компрессора 2.

Турбовинтовой газотурбинный двигатель содержит систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 10, подключенным к входу в топливный насос 11, имеющий привод 12, топливопровод высокого давления 13, вход которого соединен с топливным насосом 11, а выход соединен с кольцевым коллектором 14, кольцевой коллектор 14 соединен с форсунками 15 камеры сгорания 3.

Компрессор 2 содержит статор 16 и ротор 17 с валом компрессора 9. Кроме того, компрессор 2 содержит направляющие лопатки 18 и рабочие лопатки 19.

Турбина 3 содержит статор 20 и ротор 21. Кроме того, турбина 4 содержит сопловые аппараты турбины 22 и рабочие лопатки турбины 23 (количество ступеней турбины может быть от одной до нескольких).

Далее находятся опора турбины 24 и выхлопное устройство 5.

Двигатель имеет две электрические машины, а именно электродвигатель 6, установленный перед компрессором 2, и электрогенератор 7, совмещенный (встроенный) с турбиной 4. Электродвигатель 6 соединен валом 25 с воздушным винтом 26.

Электрогенератор 7 содержит статорные обмотки 27, установленные на статоре 20, и систему постоянных магнитов 28, установленную на рабочих лопатках 23. Электродвигатель 6 соединен с электрогенератором 7 силовым кабелем 29 через электронный регулятор 30.

Статорные обмотки 27 заключены в кожух 31. К внутренней полости 32 кожуха 31 подключена система охлаждения 33 с клапаном 34. Электродвигатель 6 (фиг.3) может иметь любую конструкцию. Для примера на фиг.3 приведен один из возможных вариантов исполнения электродвигателя 6, который содержит статор 35 и ротор 36 с постоянными магнитами 37. На статоре 35 размещены обмотки возбуждения электродвигателя 38.

При работе ГТД осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на стартер от внешнего источника энергии (на фиг.1…3 не показано). Потом включают привод топливного насоса 12, и топливный насос 11 подает топливо в камеру сгорания 3, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1…3 электрозапальник не показан). Турбина 4 раскручивается, и электрогенератор 7 вырабатывает электрический ток, который по силовому кабелю 29 через электронный регулятор 30 подается на электродвигатель 6. Электродвигатель 6 в дальнейшем приводит в действие воздушный винт 26, а внешний источник тока отключается. Сила тяги воздушного винта 26 передается на статор 16 компрессора 2.

Применение изобретения позволило:

1) повысить мощность электрических машин: электрогенератора и электродвигателя, за счет их размещения на максимально возможном диаметре;

2) повысить КПД газотурбинного двигателя за счет более рациональной компоновки двигателя, наличия винта, дающего дополнительную тягу, отсутствия жесткой кинематической связи между компрессором и турбиной и между компрессором и воздушным винтом. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор, воздушный винт и турбину, например, на разные рабочие обороты и оптимально согласовать их совместную работу;

3) улучшить надежность силовой установки за счет отказа от вала, соединяющего компрессор и турбину, отказа от редуктора между компрессором и воздушным винтом, который необходим для уменьшения скорости вращения воздушного винта до оптимальных величин и размещения катушек электрических машин вне двигателя;

4) обеспечить запуск газотурбинного двигателя и питание электроэнергией очень энергоемких потребителей. Облегчить запуск за счет раскрутки только ротора компрессора с турбиной;

5) облегчить условия работы винта за счет нежесткой связи с валом турбокомпрессора и возможности их взаимного проскальзывания и рассогласования оборотов ротора компрессора и винта;

Читать еще:  Что значит реверсивный двигатель
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector