ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЛОКОМОТИВА
LOCOMOTIVE GAS TURBINE POWER PLANT

Изобретение относится к двигателям железнодорожного транспорта, в частности к газотурбинным двигателям локомотивов, работающих на сжиженном природном газе, газотурбинном топливе и тяжелых сортах нефтяного топлива, и касается передачи мощности между различными валами газотурбинной установки и между газотурбинной установкой и асинхронными тяговыми двигателями локомотива.
Известен газотурбинный двигатель ГТ 3,5 газотурбовозов: грузового Г1 и пассажирских ГП1, состоящий из 12-ступенчатого осевого компрессора, 6-секционных камер сгорания, 4-ступенчатой осевой турбины, соединенный через редуктор с тремя тяговыми генераторами постоянного тока. Ввиду невысоких газодинамических параметров цикла кпд двигателя составляет 18,3% (Воронков Л.А., Зархе С.М. и др. «Отечественные газотурбовозы», изд. Машиностроение, Москва, 1971 г. С.45-52).
В связи с применением простой одновальной схемы, что является недостатком такого двигателя, расход топлива на холостом ходу составляет 0,35 от расхода топлива на полной мощности. Доля холостого хода составляет 0,45-0,52 времени работы двигателя при эксплуатации, что приводит к увеличению удельного расхода топлива на измеритель перевозочной работы в 2,5 раза по сравнению с тепловозами. Кроме того, на данном газотурбовозе был установлен вспомогательный дизель-генератор для запуска газотурбинного двигателя и проведения маневровой работы.
Известен газотурбинный двигатель НК-361 газотурбовоза ГТ-1, выполненный по двухвальной схеме со свободной силовой турбиной. Применение такой схемы позволило повысить газодинамические параметры цикла и получить кпд двигателя на уровне 25,3% (Статья «Первый в мире газотурбовоз, работающий на сжиженном природном газе» в журнале АвтоГазКомплекс №3 (45), 2009 г.).
Недостатком известного двигателя является то, что расход топлива на холостом ходу остался равным 0,268 от расхода топлива на полной мощности, при расходе топлива на современных тепловозах на холостом ходу, равном 0,015 от расхода топлива на полной мощности. Кроме того, на данном газотурбовозе был установлен вспомогательный дизель-генератор для запуска газотурбинного двигателя и проведения маневровой работы.
Известна силовая установка локомотива, где газотурбинный двигатель выполнен по двухвальной схеме со свободной силовой турбиной. Газотурбинный двигатель с компрессорами низкого и высокого давления, приводимый турбинами среднего и высокого давления, соединен газовым трактом со свободной силовой турбиной низкого давления. Суть изобретения состоит в улучшении запуска силовой установки и повышении ее экономичности (патент RU 2308383 C1, МПК B60K 5/00, 2007 г.).
Известная схема имеет тот же недостаток, что и предыдущие, повышенный расход топлива на холостом ходу и наличие на газотурбовозе вспомогательного дизель-генератора.
Известна газотурбинная силовая установка для локомотива, принятая за прототип, которая выполнена по схеме со свободной турбиной среднего давления. Для повышения кпд силовой установки в схеме предусмотрено охлаждение воздуха между компрессорами и подогрев сжатого воздуха перед камерой сгорания выхлопными газами из турбины низкого давления. Силовая установка выполнена в виде двух двигателей низкого и высокого давления и имеет промежуточное охлаждение и нагрев воздуха в регенераторе. Двигатель высокого давления расположен над двигателем низкого давления. Предусмотрена также вторая камера сгорания между турбиной высокого давления и турбиной среднего давления. Такая схема силовой установки позволяет получить кпд на уровне 42-45% (патент US 3457877 (A), МПК B61C 5/00, 1969 г.).
Недостатком известной газотурбинной установки является то, что расход топлива на холостом ходу остается все равно высоким, равным 0,15 от расхода топлива на полной мощности, что в 100 раз больше, чем у дизельного локомотива. Также высоким остается расход топлива на малых нагрузках, а для перемещения газотурбовоза без состава и питания электроэнергией вспомогательных потребителей предусмотрен вспомогательный дизель-генератор, что требует места для его установки, наличие второго вида топлива на газотурбовозе и дополнительных затрат на обслуживание.
Техническим результатом изобретения является значительное снижение расхода топлива на холостом ходу и на малых нагрузках газотурбинной установки, что значительно снижает удельный расход топлива на измеритель перевозочной работы и приближает его к тепловозным показателям, исключение на локомотиве вспомогательного дизель-генератора или аккумуляторной батареи большей емкости за счет использования предложенной газотурбинной установки, что позволит снизить размеры, массу локомотива, его нагрузку на ось и расходы на эксплуатацию локомотива.
Технический результат достигается тем, что в газотурбинной установке для локомотива, содержащей три вала давления, из которых вал высокого давления расположен над двумя валами низкого и среднего давления, при этом на валу низкого давления установлен компрессор низкого давления с входным патрубком, соединенный валом с турбиной низкого давления и газовой связью через канал с турбиной среднего давления, на валу среднего давления установлена турбина среднего давления, соединенная валом с первым синхронным тяговым генератором и каналом с промежуточной камерой сгорания, на валу высокого давления установлен компрессор высокого давления, соединенный валом с турбиной высокого давления и каналом с основной камерой сгорания, между компрессором низкого и высокого давления установлен промежуточный холодильник, связанный каналами с этими компрессорами, между компрессором высокого давления и турбиной высокого давления расположен регенеративный теплообменник, на котором установлен выхлопной патрубок и который соединен каналами с турбиной низкого давления и компрессором высокого давления, и в котором установлен теплообменник нагрева топлива, компрессор низкого давления снабжен поворотным входным направляющим аппаратом, приводимым от блока, на промежуточном холодильнике установлен перепускной клапан, в регенеративном теплообменнике размещены основные камеры сгорания, соединенные каналом с турбиной высокого давления, компрессор высокого давления соединен через вал и редуктор со стартером, и турбина высокого давления соединена валом со вторым синхронным тяговым генератором для возможности работы газотурбинной установки на холостом ходу и малых нагрузках только от вала высокого давления.
На фиг.1 представлена схема предлагаемой газотурбинной установки для локомотива, на фиг.2, 3 представлены отдельные схемы соединений синхронных тяговых генераторов с асинхронными тяговыми двигателями, установленными на тележках. На фиг.4 показано изменение кпд газотурбинной установки в зависимости от относительной снимаемой мощности.
Газотурбинная установка для локомотива (фиг.1) состоит из трех валов давления, один из которых расположен над двумя другими. Внизу располагается вал низкого давления 1 и соосно с ним вал среднего давления 2. Вал высокого давления 3 расположен над валами низкого 1 и среднего давления 2. Вал низкого давления 1 состоит из компрессора низкого давления 4 с входным патрубком 5 и с поворотным входным направляющим аппаратом 6, приводимым от блока 7. Компрессор низкого давления 4 соединен валом 8 с турбиной низкого давления 9 и газовой связью через канал 10 с турбиной среднего давления 11. Вал среднего давления 2 состоит из турбины среднего давления 11, соединенной валом 12 с первым синхронным тяговым генератором 13 и каналом 14 с промежуточной камерой сгорания 15. Вал высокого давления 3 состоит из компрессора высокого давления 16, соединенного валом 17 с турбиной высокого давления 18, валом 19 со вторым синхронным тяговым генератором 20, валом 21 и редуктором (на чертеже не показан) со стартером 22. Турбина высокого давления 18 каналом 23 соединена с промежуточной камерой сгорания 15, которая через канал 14 соединена с турбиной среднего давления 11. Между компрессором низкого давления 4 и компрессором высокого давления 16 находится промежуточный холодильник 24 с перепускным клапаном 25. Компрессор низкого давления 4 через канал 26 связан с промежуточным холодильником 24, который каналом 27 связан с компрессором высокого давления 16. Между компрессором высокого давления 16 и турбиной высокого давления 18 находится регенеративный теплообменник 28 с размещенными в нем камерами сгорания 29 и теплообменником нагрева топлива 30. Камера сгорания 29 соединена с турбиной высокого давления 18 каналом 31. Компрессор высокого давления 16 соединен с регенеративным теплообменником 28 каналом 32. В газотурбинной установке предусмотрен микропроцессорный блок (на чертеже не показан), который управляет запуском газотурбинной установки, нагружением синхронных тяговых генераторов 13 и 20, подачей топлива в камеры сгорания 15 и 29, воздействуя на дозаторы топлива 33 и 34, отключает при необходимости вал низкого давления 1, закрывая входной направляющий аппарат 6 через блок 7 и открывая всасывание воздуха в компрессор высокого давления 16 из общей заборной камеры воздуха (на чертеже не показана), открывая перепускной клапан 25 в промежуточный холодильник 24. Турбина низкого давления 9 через канал 35 соединена с регенеративным теплообменником 28, на который установлен выхлопной патрубок 36. Синхронные тяговые генераторы 13 и 20 могут различно подключаться к асинхронным тяговым двигателям локомотива.
Второй синхронный тяговый генератор 20 подключен к одной тележке 37 с группой асинхронных тяговых двигателей через управляемый выпрямитель 38, и первый синхронный тяговый генератор 13 подключен к тележкам 39, 40, 41 со второй группой асинхронных тяговых двигателей через управляемый выпрямитель 42 (фиг.2), либо синхронные тяговые генераторы 20 и 13 подключены к тележкам 37, 39, 40, 41 со всеми асинхронными тяговыми двигателями через общий управляемый выпрямитель 43 (фиг.3). В режиме, когда работает только вал высокого давления, второй синхронный тяговый генератор 20 через свой управляемый выпрямитель 38 подключен к одной тележке 37 с группой асинхронных тяговых двигателей, либо второй синхронный тяговый генератор 20 через общий управляемый выпрямитель 43 подключен к тележкам 37, 39, 40, 41 со всеми асинхронными тяговыми двигателями (на чертеже не показано).
Газотурбинная установка работает следующим образом.
Наружный воздух из камеры забора воздуха с пылевыми фильтрами через канал 5, пройдя входной поворотный направляющий аппарат 6, поступает в компрессор низкого давления 4, где сжимается и через канал 26 попадает в промежуточный холодильник 24, в котором он охлаждается наружным воздухом, поступающим от вентилятора (на чертеже не показан), приводимого от вала компрессора низкого давления 4. Сжатый и охлажденный воздух через канал 27 поступает в компрессор высокого давления 16, где дополнительно сжимается и по каналу 32 попадает в регенеративный теплообменник 28, где он нагревается теплом выхлопных газов турбины низкого давления 9, поступающих в регенеративный теплообменник 28 по каналу 35. Далее нагретый воздух поступает в камеры сгорания 29, куда подается топливо к форсункам через дозатор топлива 34 и, сгорая, образует газо-воздушную смесь с заданной температурой, которая через канал 31 поступает в турбину высокого давления 18. Полученная мощность турбины высокого давления используется на привод компрессора высокого давления 16 и на выработку энергии во втором синхронном тяговом генераторе 20. После турбины высокого давления 18 газо-воздушная смесь через канал 23 поступает в промежуточную камеру сгорания 15, куда подается топливо к форсункам через дозатор топлива 33 и, сгорая, образует газо-воздушную смесь с заданной температурой, которая через канал 14 поступает в турбину среднего давления (силовую турбину) 11, полученная мощность которой используется на привод первого синхронного тягового генератора 13. В зависимости от приложенной нагрузки первый 13 и второй 20 синхронные генераторы через управляемые выпрямители 42 либо 43 приводят в движение асинхронные тяговые двигатели тележек 37, 39, 40 и 41. Газовоздушная смесь, отработав в турбине среднего давления, через канал 10 поступает в турбину низкого давления 9, которая приводит компрессор низкого давления 4. Газовоздушная смесь, отработав в турбине низкого давления 9, через канал 35 поступает в регенеративный теплообменник 28, пройдя который, выбрасывается во внешнюю среду через выхлопной патрубок 36. Мощность, полученная от тяговых генераторов 13 и 20, через управляемые выпрямители поступает к асинхронным тяговым двигателям по одной из двух схем, изображенных на фиг.2 и 3.
Рассмотрим запуск предлагаемой газотурбинной установки и ее работу на холостом ходу и на малой нагрузке.
Перед запуском микропроцессорный блок управления газотурбинной установкой закрывает входной направляющий аппарат 6 блоком 7 и открывает перепускной клапан 25, соединяя канал 27 компрессора высокого давления 16 с заборной камерой воздуха из внешней среды. На стартер 22 подается сигнал «запуск», и он начинает раскручивать вал высокого давления 3 до оборотов подачи топлива в камеру сгорания 29. Дозатор топлива 34 подает топливо в камеру сгорания 29, и вал высокого давления 3 раскручивается до оборотов холостого хода. Газовоздушная смесь, отработав в турбине высокого давления 18, через канал 23 поступает в промежуточную камеру сгорания 15, в которую топливо не подается. Далее через канал 14 газовоздушная смесь поступает в турбину среднего давления 11, пройдя которую, через канал 10 поступает в турбину низкого давления 9 и далее через канал 35 в регенеративный теплообменник 28, пройдя который, через выхлопной патрубок 36 выбрасывается во внешнюю среду. Ввиду того, что входной направляющий аппарат 6 закрыт, а перепускной клапан 25 открыт, сжатие воздуха в компрессоре низкого давления 4 не происходит, а валы низкого и среднего давления 1 и 2 вращаются, не производя работы, но все время находятся в состоянии готовности принять нагрузку. При этом мощность с первого синхронного тягового генератора 13 не снимается. Когда при работе локомотива не требуется полная мощность - это режим холостого хода, трогание с места, маневровая работа, движение одиночного локомотива, движение на спусках и с составами малого веса, работает только вал высокого давления 3. При этом мощность, полученная от второго синхронного тягового генератора 20, через управляемый выпрямитель 38 поступает к одной тележке 37 с группой асинхронных тяговых двигателей, либо мощность, полученная от второго синхронного тягового генератора 20, через общий управляемый выпрямитель 43 поступает к тележкам 37, 39, 40, 41 с группой всех асинхронных тяговых двигателей.
Особенность работы предлагаемой газотурбинной установки отражена на фиг.4, где показано изменение кпд газотурбинной установки в зависимости от относительной снимаемой мощности. Когда работают все три вала давления 1, 2 и 3, то изменение кпд газотурбинной установки показано кривой 44, а при работе только вала высокого давления 3 изменение кпд газотурбинной установки показано кривой 45. Расход топлива на холостом ходу, когда работает только вал высокого давления 3, составляет 0,005-0,06 от расхода топлива на полной мощности всей силовой установки. Кпд двигателя при работе только вала высокого давления 3 на частичных нагрузках в 2-2,5 раза больше, чем при работе газотурбинной установки в целом, что существенно улучшает технико-экономические показатели локомотива.