CC BY
11Чертов В.Г. ст. преп.
Белгородский государственный технологический университет имени В.Г.Шухова ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ ПНЕВМОТРАНСПОРТНЫХ УСТАНОВОК В СТРОИТЕЛЬСТВЕ, ПРОИЗВОДСТВЕ, РЕМОНТЕ, ЭКСПЛУАТАЦИИ
trubaev@mail.ru
Рассмотрены мобильные пневмотранспортные установки позволяющие получить тройной экологический эффект, существенно улучшить экономические и технические показатели установок, в несколько раз повысить производительность, механизировать, а в перспективе и автоматизировать процесс строительства, ремонта, пылеуборки предприятий, дорог и территорий. Рассмотрены преимущества применения в качестве привода мобильных пневмотранспортных установок газотурбинных установок (ГТУ), что позволяет исключить многократное преобразование энергии, вызывающих дополнительные потери, поскольку не требуется преобразовывать энергию газа в электрическую, а затем в механическую, т.е. отпадает необходимость в генераторе, преобразователе частоты и редукторе, которые могут в сумме составлять более 50% стоимости ГТУ.
Ключевые слова: оборудование, механизированная промышленная пылеуборка, ремонта и эксплуатация автодорог, газотурбинный привод, мобильные пневмотранспортные установки.
Сбор просыпи и завалов пыли производственных площадей является актуальной для промышленности стройматериалов. Объемы сбора часто составляют многие тысячи квадратных метров производственных площадей и прилегающих территорий, где необходимая регулярная уборка осуществляется, как правило, вручную, причем во вредных экологических условиях, т.к. полезной для здоровья человека пыли не бывает. Сбор просыпи и завалов пыли особенно актуален при ликвидации и профилактики последствий аварийных ситуаций, вредных выбросов и особенно для предприятий промстройма-териалов, которые являются малолюдными. Т.о. пылеуборка является не только средством ликвидации последствий техногенных сбоев, но и позволяет эффективно предотвращать аварии и катастрофы, вероятность которых возрастает с изношенностью оборудования. Промышленная пылеуборка устраняет перечисленные выше проблемы, обеспечивая при этом санитарно-гигиенические требования к помещению, повышает безопасность труда и осуществляется мобильными пневмотранспортными установками, повышение эффективности которых рассмотрено в данной работе.
Россия внесла решающий вклад в развитие газотурбостроения, во 2-ю мировую войну, реактивные двигатели начали впервые серийно применяться в беспилотной немецкой авиации и русской ракетной технике. Среди основных мировых производителей владеющих технологией производства газовых турбин (США, Англия Франция), до недавнего времени Россия занимала ведущее место по производству газотурбин-
ных двигателей, (в основном для военных целей). В настоящее время Россия занимает ведущее место в мире по обслуживанию международной космической станции.
Большие успехи и высокий потенциал отечественных научных и проектных организаций, машиностроения, приборостроения и электроники, характеризующий технический уровень страны, достигнутые в авиационном и транспортном газотурбостроении, послужили мощным толчком к пересмотру принципов проектирования стационарных мобильных газотурбоустановок (ГТУ), со все более широким использованием прогрессивных принципов блочного проектирования.
Использование принципа блочно- агрегатного или блочного проектирования, наилучшим образом реализовать такие присущие ГТУ преимущества, по сравнению с другими типами двигателей, как большая удельная мощность, хорошие маневренные качества, высокая степень надежности и автоматизации, сравнительно низкая себестоимость, малые затраты на ремонт и эксплуатацию, что имеет решающее значение для таких областей применения, как воздушный, водный и наземный транспорт и мобильные ГТУ. Именно этим обстоятельством и объясняется неуклонное развитие указанного принципа, как на современном этапе, так и в дальнейшем.
Газотурбинные установки малой мощности получают все более широкое распространение в мире и разрабатываются рядом американских фирм: «Форд» модели 705, 707, 2500, 3600, 4200, мощностью 275- 485 кВт, «Дженерал мотор» модели ОТ- 305, Т- 309, мощностью 165, 205 кВт,
«Детройт дизель» модели 250, 400, мощностью 205, 295 кВт, «Крайслер», модели 2А, А-831 мощностью 103, 95 кВт, «Солар» модели Т-600, Т-1000 , мощностью 440, 880 кВт, «Авко Лайкоминг» модель AGT- 1500, мощностью 1100 кВт, «Вильям» модель 8 мощностью 59 кВт, «Дженерал электрик», модели Т- 53, Т- 58 мощностью 845, 770 кВт; английских: «Ровер» модели 2/140R, 2/150R, 2/350Я мощностью 103, 107, 272 кВт, «Лей- Ланд» модель МК-2, мощностью 294 кВт; немецких: «Даймлер Бенц» модели ДВ- 300, мощностью 250 кВт, МАН модель 350, мощностью 250 кВт; японской: «Ниссан» модель RT-12, мощностью 220 кВт; французской: «Турбо-мека», мощностью 515 кВт; итальянской: ФИАТ модель 6891-002 мощностью 368 кВт; шведской: «Вольво» модель 250 мощностью 184 кВт; российскими модели ТурбоНАМИ мощностью 260 кВт, ВК-1 мощностью 900 кВт, ГТЭ- 0,6 и ГТЭ- 1,6 мощностью 600 и 1600 кВт, АИ-20 и АИ 25 мощностью 400 и 300 кВт, М-701 мощностью 310 кВт, ГТД-1Т мощностью 735 кВт, ГТУ мощностью 270 кВт, Р311-В300 мощностью 1100 кВт, РД-9Ф и РД-45 мощностью 1300 и 1400 кВт, (всего российских 18 моделей мощностью до 100 мВт).
Успехи ряда таких ведущих зарубежных фирм, как «Дженерал- электрик» и «Вестингауз» (США), «Крафтунионверке» (ФРГ), России и др., в области стационарного газотурбостроения за последние 10—15 лет объясняются широким использованием технических достижений серийного авиационного газотурбостроения и в первую очередь принципа, также блочного унифицированного конструирования. Для серийного производства неизбежна тщательная экономическая и техническая подготовка, отработка конструкции, патентная чистота и общий уровень техники и технологии, поскольку для оправдания затрат необходимо время на производство и реализацию серии, а в случае неудачи, экономические потери оказываются очень велики.
Конструкции ГТУ малой мощности отличаются большим разнообразием. Приведенная ниже конструкция ГТУ отечественного производства отличается сложностью и большой массой, причем турбопривод по массе и объему занимает примерно третью часть установки (рис. 1).
Конструктивное исполнение турбин имеет решающее значение для их характеристик. В таблице приведена классификация рабочих колес по критерию быстроходности, в которой указано, что быстроходность рабочих колес, т.е. число оборотов для достижения необходимого
напора может отличаться в 30 раз.
Высоконапорные осерадиальные колеса малой тихоходности применялись в авиадвигателях 1-го поколения (рис. 2). Затем перешли на осевые колеса, конструктивные проточные схемы которых более оптимальны, для применения в авиации. В последнее время осецентробежные колеса находят применение в стационарных центробежных компрессорах и позволяют получать высокие давления. У тихоходных небольшой КПД, а максимально достигнутая степень повышения давления тихоходных колес авиационного типа может достигать пк=Рн/Рк=14. Эта ступень имеет КПД=0,70. Применяемые в настоящее время 10 осевых ступеней турбокомпрессора ГТУ при максимальном КПД=0,90, имеют общий КПД=0,348.
В современных конструкциях отечественных и зарубежных ГТУ малой мощности находят применение магнитные подшипники, а вал силового турбоагрегата соединяется с генератором напрямую, что устраняет сложную и пожароопасную систему смазки и повышает надежность, работоспособность и технические параметры установки. Применение магнитных подшипников, позволяет производить автоматическую балансировку ротора во время работы, оптимально устанавливать практически любое число оборотов, верхний предел которых ограничивается механической прочностью материалов, что характерно для турбин малой мощности. В некоторых конструкциях микротурбин число оборотов достигает 105 об/мин, т.е. применение магнитных подшипников в ГТУ, несмотря на их достаточно высокую себестоимость, вполне оправдано по нескольким факторам.
Повышению надежности отечественных ГТУ способствует также высокий уровень автоматизации, позволяющий управлять и осуществлять диагностику установок дистанционно, из единого диспетчерского диагностического центра, высококвалифицированными специалистами (рис. 3).
Повышение температуры в турбине, повышает ее эффективность, однако материалы турбины работают в жестких условиях высоких скоростей и температур. По данным зарубежных источников хорошую температурную стойкость показывают керамические материалы, которые однако, имеют небольшую механическую прочность и большую хрупкость, обуславливающую их низкую вибростойкость.
1- входной патрубок, 2- центробежный компрессор, 3- камера сгорания, 4- осевая турбина компрессора, 5- осевая силовая турбина, 6- кольцевой теплообменник, 7- редуктор, 8- коробка приводов.
Таблица
Классификация рабочих колес по быстроходности
Где: п5=53ш01/2/ Н 3/4 - коэффициент быстроходности, (ю- угловая скорость, Q- производительность, Н- напор). у =Сг/и2- коэффициент напора, (Сг- радиальная скорость потока на выходе из колеса,и2 - угловая скорость колеса). ф = С2/и2- коэффициент расхода, (С2- окружная скорость потока на выходе из колеса). П - КПД рабочих колес, як - степень повышения давления.
Рис.2. Центробежный компрессор с магнитными подшипниками, компоновки БГТУ:
1 и 11-защитная сетка, 2 и 12-разделительное кольцо входного канала, 3 и 6- вращающийся направляющий аппарат (ВНА) колеса, 4-колесо компрессора, 5-крышка корпуса компрессора, 7 и 13-силовая ферма, 8-безлопаточный диффузор, 9-корпус компрессора, 10-входной патрубок камеры сгорания, 14-задняя цапфа, 15-корпус переднего подшипника, 16-передняя цапфа, 17-лопатка неподвижного направляющего аппарата (ННА), 18-лопаточный диффузор, 19-регулировочное кольцо, 20 -магнитный подшипник
Л. _(
!
И
Рис. 3. Общий вид рабочего экрана контроля основных параметров газотурбинной установки
Более высокие характеристики имеют ме-таллокерамические материалы, которые также малопластичны и к тому же весьма трудны в обработке.Хорошие перспективы имеют комбинированные конструкции лопаток и колес турбин с выполнением, например плазменным напылением, металлокерамики на жаростойкие металлы турбин традиционного исполнения. При отсутствии необходимых материалов, приходится применять охлаждение лопаток турбин, что снижает их показатели. В качестве охлаждения лопаток турбин, в последнее время, применяют также впрыск воды непосредственно в проточную часть турбины, что вызывает несколько положительных эффектов: понижает температуру газов и увеличивает их объем до 2-х раз, водяной пар имеет большую газовую постоянную, с изменением его агрегатного состояния в сотни раз увеличиваются коэффициенты теплопередачи, т.е. повышается эффективность турбины. При высокой температуре происходит частичное разложение воды с выделением кислорода и водорода, что также повышает эффективность ГТУ, а в совокупности с многостадийным горением позволяет осуществить дожигание окислов азота и углерода, что до 2-х, а в
дальнейшем более раз, улучшает экологические показатели ГТУ по сравнению с ближайшим конкурентом -дизелями.
Соединение генератора напрямую с турбиной позволяет исключить дорогостоящий и ненадежный быстроходный понижающий редуктор, существенно упрощает и удешевляет конструкцию, с применением магнитных подшипников, полностью устраняется пожароопасная смазочная система.
Новые экономические и конструктивные перспективы открываются при применении ГТУ малой мощности в комплекте с пневмоприводом, где в качестве энергоносителя выступает воздух. Применение воздуха делает привод более безопасным, в несколько раз снижает его материалоемкость и себестоимость, а также существенно упрощает конструкцию. Отпадает необходимость в многократном преобразовании энергии, вызывающих дополнительные потери, поскольку не требуется преобразовывать энергию газа в электрическую, а затем в механическую, т.е. отпадает необходимость в генераторе, преобразователе частоты и редукторе, которые могут в сумме составлять более 50% стоимости ГТУ. Особенно перспективно применение ГТУ малой мощности
в мобильных пневмотранспортных установках (МПУ), разрабатываемых на кафедре энергетики теплотехнологии БГТУ им В.Г. Шухова. МПУ для внутренней и наружной пространственной уборки целесообразно использовать также для наружного и внутреннего ремонта помещений, что позволяет применением насадков различного назначения механизировать большинство операций ремонта, улучшить качество и получить дополнительную прибыль от сокращения сроков и повышения производительности и качества ремонта.
В установках МПУ ГТУ малой мощности выполняет напрямую одновременно функции побудителя тяги, с предварительной высокой степенью очистки входного воздуха предусмотренной в конструкции МПУ. Так, например, конструкция турбовоздуходувки БГТУ выполненная на базе серийно выпускаемого турбокомпрессора наддува дизелей, представлена на рис. 4. Турбовоздуходувки, простые по конструкции, позволяют осуществить малозатратные и экономичные режимы регулирования в зависимости от пылевой нагрузки, позволяющие сократить энергозатраты в пы-
Реализация технических возможностей современных отечественных ГТУ невозможна без новых технических решений, материалов, оборудования, автоматики, технологий производства и обслуживания, электроники, квалифицированного персона, т.е. практически достижений всего научно- технического комплекса страны, а также политической
леуборочной системе до 2-х раз. Конструкция воздуходувки выполнена по высокой технологии, в которой применяются высокие обороты, позволяющие получить высокую эффективность и напор в одной ступени, гибкий вал, обеспечивающий самобалансировку ротора от остаточного дисбаланса. Воздуходувки с турбоприводом имеют центробежные колеса, получаемые практически безотходным качественно новыми способами литья в кокиль и выплавляемым моделям, что на 2 порядка уменьшает массу и трудоемкость изготовления колес, также всей воздуходувки в целом по сравнению с воздуходувками других типов. Снижение массы в готовом изделии на 1 %, уменьшает затраты в ее производстве на 2 %.
Разработка ГТУ малой мощности, с использованием серийных узлов, в десятки раз менее затратная, чем мощных установок и менее рискованна в экономическом плане. На рис. 5 представлены детали стенда и рабочие колеса выполненные в БГТУ при минимально возможном финансировании. Рабочие колеса были испытаны и подтвердили высокую эффективность.
воли на их внедрение и поддержки отечественного производителя и науки.
МПУ являются частью широко распространенного трубопроводного транспорта. В настоящее время передвижные трубопроводные установки, имеющие мобильные пространственные трубопроводы, представлены только бетононасосами. Этот
ряд предлагается дополнить рядом мобильных пневмотранспортных установок (МПУ), и представляется новое название для всего класса этих машин: мобильные трубопроводные установки (МТУ). Общие виды мобильных трубопроводных установок показаны на рис. 6 и 7. Общий вид реко-
Предлагаемые устройства для уборки помещений и прилегающих территорий позволяют не только механизировать ручную уборку, но и применять технологии утилизации вторичных отходов, что позволит получить дополнительную прибыль от их использования. Вовремя собранные сухие растительные остатки являются ценным сырьем для изготовления экологически чистых материалов типа ДСП или арболита. На базе предлагаемой техники может быть создан малоэнергоемкий энерготехнологический экологически чистый комплекс для строительства и ремонта зданий и др. сооружений прогрессивным методом скользящей опалубки из бетона и пенобетона. Устройство позволяет устранить операции изготовления, транспортировки, складирования ЖБИ или кирпичей, выполнять разнообразные архитектурные решения по планировке, наружной и внутренней отделке, уменьшить стоимость и сроки строительства. Новый способ литья в скользящую опалубку существенно расширяет возможности, качество литья и уменьшает расходы на опалубку, позволяет механизировать, а в перспективе и автоматизировать процесс строительства. Устройство может применяться для разделки и заделки специальным составом трещин автодорог и крыш. МПУ незаменимо при ликвидации последствий аварий и катастроф, а также нане-
мендуемой установке по переработке отходов приведен на рис. 8, а). Вовремя собранные сухие растительные остатки с прилегающих территорий являются ценным сырьем для изготовления экологически чистых новых стройматериалов материалов типа ДСП, ДВП или арболита рис. 8, б).
сении и удалении нанопокрытий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Газотурбинные установки. Конструкции расчет: Справочное пособие/Под общ. ред. Л. В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. Л.: Машиностроение. 1978. 232 с.
2. Скубачевский, Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкции и расчет деталей / Г.С. Скубачевский. - М.: Машиностроение. 1981. 550 с.
3. Журавлев, Ю.Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение / Ю.Н. Журавлев. -СПб.: Политехника. 2003. 206 с.
4. Клименко, А.В. Теплоэнергетика и теплотехника. Книга 3. Тепловые и атомные электростанции / А.В. Клименко. - Справочник. Изд.3 М.: МЭИ. 2003. 648 с.
Рис. 6. Мобильные пневмотранспортные установки (МПУ):
а) дорог и территорий производительностью 40 т/ч
б) помещений производительностью 10 т/ч
Рис. 7. Машины для ремонта дорог и сооружений (АПС):
а) дорог и территорий производительностью до 50 т/ч.
б) для помещений производительностью до 10 т/ч
Рис. 8. Малотоннажная линия производства листовых материалов из отходов производительностью до 1 т/ч (а), б) образцы стройматериалов из отходов
б)
