ГАЗОТУРБОВОЗ
GAS TURBINE LOCOMOTIVE

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, конкретно к силовым установкам локомотива, выполненным на базе газотурбинного двигателя (турбопоезда или газотурбовоза), который в качестве топлива использует сжиженный природный газ - СПГ.
Работы по созданию газотурбовоза проведены в СССР и за рубежом. В Западной Европе наиболее интенсивные работы по газотурбовозам впервые были развернуты во Франции и привели к созданию газотурбовоза.
Известен газотурбовоз по книге Е.Т.Бартош, «Газотурбовозы и турбопоезда». М.: «Транспорт», 1978, стр.227…230, прототип. Газотурбовоз содержит крышу, боковые стенки и силовую установку в виде газотурбинных двигателей.
Недостатками этого газотурбовоза являются:
1. Низкая надежность: при отказе одного из газотурбинных двигателей он не сможет продолжить движение с полной нагрузкой и проектной скоростью из-за снижения тягового усилия в 2 раза и из-за создания значительной боковой составляющей реактивной тяги единственного (из двух) газотурбовинного двигателя.
2. Отсутствие возможности реверса тяги для маневрирования и экстренного торможения.
Известно применение двух турбовинтовых газотурбинных двигателей, установленных в мотогондолах, прикрепленных на корпусе локомотива из пат. США №4233908, опубл. 18.11.1980. Недостатками этого газатурбовоза те же, что и у прототипа.
Задача создания изобретения: повышение надежности установки.
Решение указанной задачи достигнуто в газотурбовозе, содержащем корпус, имеющий крышу и боковые стенки, основную силовую установку в виде двух турбовинтовых газотурбинных двигателей, установленных в мотогондолах, прикрепленных к боковым стенкам корпуса газотурбовоза, а также вспомогательный дизель, согласно способу в состав основной силовой установки дополнительно входит электрогенератор, при этом турбовинтовые газотурбинные двигатели и вспомогательный дизель соединены через управляемые муфты и раздаточную коробку с электрогенератором, а на крыше корпуса газотурбовоза установлен, по меньшей мере, один аэродинамический стабилизатор. Оба турбовинтовых газотурбинных двигателя выполнены с реверсом тяги.
Надежность газотурбовоза по сравнению с прототипом повышается не только за счет дублирования турбовинтовых газотурбинных двигателей (применения двух газотурбинных двигателей), но и за счет того, что передача значительной части энергии на электрогенератор и далее на колесные пары позволяет при отказе одного турбовинтового двигателя продолжить движение практически без потерь тяговых характеристик.
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 чертежами, где:
на фиг.1 приведена схема газотурбовоза,
на фиг.2 - вид А-А,
на фиг.3 приведен вид сбоку,
на фиг.4 приведена схема основной силовой установки газотурбовоза.
Газотурбовоз 1 содержит корпус 2, состоящий из боковых стенок 3 и крыши 4.
Корпус 2 установлен на платформе 5. Внутри корпуса 2 установлен вспомогательный дизель 6. К боковым стенкам 3 корпуса 2 прикреплены мотогондолы 7, в которых установлены турбовинтовые газотурбинные двигатели 8 с воздушными винтами 9 и реверсом 10. На крыше 4 установлен, по меньшей мере, один аэродинамический стабилизатор 11. Вспомогательный дизель 6 и турбовинтовые газотурбинные двигатели 8 соединены между собой через управляемую муфту 12 соединительным валом 13 и раздаточную коробку 14. Из раздаточной коробки 14 выходит силовой вал 15, другой конец которого соединен с электрогенератором 16, который кабелем 17 соединен с тяговым приводом (приводами) 18, которые соединены с колесными парами 19. Колесные пары 19 установлены на рельсах 20.
Турбовинтовые газотурбинные двигатели 8 содержат (Фиг.3) воздушный винт 9, входное устройство 21 и два турбокомпрессора первый - 22 и второй - 23, выполненных по биротативной схеме, т.е. без сопловых и направляющих аппаратов, с возможностью вращения в противоположные стороны. Турбокомпрессор 22 содержит компрессор низкого давления 24 и турбину низкого давления 25. Компрессор низкого давления 24 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 26. Турбина низкого давления 25 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 27. Рабочие колеса компрессора 26 и рабочее колесо (колеса) турбины 27 соединены внутренним валом 28 первого турбокомпрессора 22. Второй турбокомпрессор 23 содержит компрессор высокого давления 29 и турбину высокого давления 30. Компрессор высокого давления 29 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 26, а турбина высокого давления 30 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 27. Рабочее колесо (колеса) компрессора 26 компрессора высокого давления 29 и рабочее колесо (колеса) турбины 27 турбины высокого давления 30 соединены внешним валом 31. Валы 28 и 31 установлены на подшипниках 32. Основная силовая установка 8 имеет внешний корпус 33, к которому крепится камера сгорания 34 с форсунками 35, к внешнему корпусу 33 также крепятся входное устройство 21 при помощи ребер 36 и реактивное сопло 37 при помощи радиальных ребер 38. Перед камерой сгорания 34 установлен спрямляющий направляющий аппарат 39, а за камерой сгорания 34 - сопловой аппарат 40.
Топливная система основной силовой установки 8 содержит топливопровод 41, в котором установлен топливный насос 42, соединенный с приводом 43. Газотурбовоз 1 имеет блок управления 44, который соединен электрическими связями 45 с приводом 43 и с управляемыми муфтами 12.
При работе сначала запускают вспомогательный дизель 6, потом турбовинтовые газотурбинные двигатели 8 при помощи вспомогательного дизеля 6, выполняющего функцию стартера, раскручивают один из турбокомпрессоров 22 или 23, с пульта управления 44 запускают привод 43, который раскручивает топливный насос 42, топливо (сжиженный природный газ - СПГ) по топливопроводу 41 подается в форсунки 35 камеры сгорания 34, где воспламеняется при помощи пирозапальника или электрозапальника (на фиг.1…3 не показан). Продукты сгорания проходят через турбину высокого давления 30 и турбину низкого давления 25. Мощность с турбин 25 и 30 передается на компрессоры 24 и 29, которые сжимают воздух, идущий в камеру сгорания 34. Значительная честь мощности (70…80%) передается на тяговый привод 16 и на колесные пары 17, которые в основном создают тягу газотурбовоза (локомотива) 1. Кроме того, две основные силовые установки 8 создают дополнительно реактивную тягу 20…30% от общего тягового усилия.
При отказе одного из турбовинтовых газотурбинных двигателей 8 она отключается при помощи соответствующей управляемой муфты 12 и газотурбовоз 1 продолжает движение не снижая скорости за счет форсирования второй силовой установки. Возникшее при этом боковое усилие компенсируется при помощи аэродинамических стабилизаторов 11.
Режим работы основных турбовинтовых газотурбинных двигателей 8 регулируется топливными насосами 42. Останов турбовинтовых газотурбинных двигателей 8 осуществляется прекращением подачи топлива. Реверсирование при помощи раздаточной коробки 14 (детально это устройство не приведено). Аварийный останов осуществляется выключением турбовинтовых газотурбинных двигателей 8 и торможением, а маневрирование - использованием вспомогательного дизеля 6. Вспомогательный дизель 6 используется и в качестве стартера для основных силовых установок. При неработающем вспомогательном дизеле 6 он отключатся при помощи управляемой муфты 12. Отключение аварийного турбовинтового газотурбинного двигателя 8 от общей силовой схемы производится также при помощи соответствующей управляемой муфты 14.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить надежность локомотива за счет связи при помощи трансмиссии и раздаточной коробки двух типов двигательных установок: турбовинтовых газотурбинных двигателей и вспомогательного дизеля, и возможности продолжения движения при отказе одного из них.
2. Обеспечить работу газотурбовоза в нормальном режиме при отказе одного турбовинтового газотурбинного двигателя, за счет того, что основная доля тяги будет по-прежнему создаваться колесными парами.
3. Обеспечить движение с небольшой скоростью при отказе двух турбовинтовых газотурбинных двигателей за счет использования вспомогательного дизеля (дизельного двигателя внутреннего сгорания), приводящего в действие электрогенератор через раздаточную коробку.
4. Обеспечить маневрирование газотурбовоза с применением вспомогательного дизеля.
5. Повысить КПД газотурбовоза за счет:
- более высокого КПД турбовинтовых двигателей по сравнению с турбореактивными на дозвуковых скоростях,
- более рациональной компоновки турбовинтовых двигателей, а именно наличия двух каскадов компрессора и турбины у основных силовых установок и регенерации тепла на входе в основную силовую установку,
- использования для создания тяги газотурбовоза одновременно вращения колесных пар и тяги воздушных винтов.
6. Улучшить весовые характеристики и уменьшить осевой габарит турбовинтового газотурбинного двигателя за счет применения биротативной схемы.
7. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора турбовинтового газотурбинного двигателя без раскручивания другого ротора.
8. Облегчить условия работы роторов турбовинтовых газотурбинных двигателей за счет возможности их взаимного проскальзывания одного из двух роторов и их работы на различающихся частотах вращения.
8. Уменьшить вес и габариты турбовинтовых газотурбинных двигателей за счет применения биротативной схемы роторов.
9. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов турбовинтовых газотурбинных двигателей без применения редуктора.