ГАЗОТУРБОВОЗ
GAS TURBINE LOCOMOTIVE

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, конкретно к локомотивам с силовой установкой, выполненной на базе газотурбинного двигателя (газотурбовозу), 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.
Известна силовая установка газотурбовоза, 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 (см. Е.Т.Бартош «Газовая турбина на железнодорожном транспорте», изд. Транспорт, М., 1972, стр.62-75).
Недостатками этого газотурбовоза является низкий КПД силовой установки, т.к подача пара на вход в турбину резко уменьшает температуру продуктов сгорания, проходящих через нее, и тем самым снижает КПД турбины и силовой установки в целом.
Кроме того, регенеративный теплообменник имеет недостаточную поверхность теплообмена, для того чтобы полностью утилизировать тепло выхлопных газов.
Задача создания изобретения: повышение надежности газотурбовоза и силовой установки.
Решение указанной задачи достигнуто в газотурбовозе, содержащем корпус, имеющий крышу и боковые стенки, основную силовую установку в виде газотурбинного двигателя, а также вспомогательный дизель, соединенные кинематически, тем, что применено две основные силовые установки, установленные в мотогондолах, прикрепленных при помощи аэродинамических крыльев к боковым стенкам корпуса газотурбовоза, а на концах аэродинамических крыльев установлены вертикальные аэродинамические рули.
В основной силовой установке газотурбовоза, содержащей турбокомпрессор с корпусом, компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и реактивное сопло, турбокомпрессор выполнен биротативным и состоит из двух турбокомпрессоров, выполненных с возможностью вращения в противоположные стороны и содержащих валы с рабочими колесами компрессоров и рабочими колесами турбин. Вал основной силовой установки соединен при помощи трансмиссии со вспомогательным дизелем. Концентрично валам турбокомпрессоров выполнен внешний корпус. Камера сгорания прикреплена к внешнему корпусу основной силовой установки.
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.1-4, 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. К боковым стенкам 3 корпуса 2 прикреплены два аэродинамических крыла 6, к которым прикреплены мотогондолы 7, в которых установлены газотурбинные двигатели 8. Внутри корпуса 2 установлен вспомогательный дизель 9, соединенный через управляемую муфту 10 соединительным валом 11 с раздаточной коробкой (редуктором) 12. Из раздаточной коробки 12 выходит силовой вал 13, другой коней которого соединен с электрогенератором 14, который кабелем 15 соединен с тяговым приводом (приводами) 16, которые соединены с колесными парами 17. Колесные пары 17 установлены на рельсах 18. На концах крыльев 6 установлены вертикальные аэродинамические рули 19, соединенные с приводами рулей 20.
Газотурбинные двигатели 8 (фиг.3) содержат 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. Основная силовая установка 8 установлена вертикально в центре корпуса 2 газотурбовоза (локомотива) 1 (фиг.1 и 2).
При работе сначала запускают вспомогательный дизель 9, потом основную силовую установку 8. При помощи вспомогательного дизеля 9, выполняющего функцию стартера, раскручивают один из турбокомпрессоров 22 или 23, 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 одной из силовых установок 8 она отключается при помощи соответствующей управляемой муфты 10 и газотурбовоз 1 продолжает движение, не снижая скорости, за счет форсирования второй силовой установки. Возникшее при этом боковое усилие компенсируется при помощи двух вертикальных аэродинамических рулей 19, которыми управляют приводы рулей 20. Применение двух вертикальных аэродинамических рулей увеличивает их эффективность и позволяет уменьшить вертикальные габариты газотурбовоза.
Режим работы основных силовых установок 8 регулируется топливными насосами 42. Останов основных силовых установок осуществляется прекращением подачи топлива. Реверсирование - при помощи раздаточной коробки 12 (детально это устройство в материалах заявки не приведено). Аварийный останов осуществляется выключением основных силовых установок 8 и торможением, а маневрирование - использованием вспомогательного дизеля 9. Вспомогательный дизель 9 используется и в качестве стартера для основных силовых установок. При неработающем вспомогательном дизеле 9 он отключатся при помощи управляемой муфты 10. Отключение аварийной основной силовой установки от общей силовой схемы производится также при помощи соответствующей управляемой муфты 12.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить надежность локомотива за счет связи при помощи трансмиссии двух двигательных установок: основной силовой и вспомогательного дизеля, и возможности продолжения движения при отказе одного из них.
2. Обеспечить работу газотурбовоза при отказе одной основной силовой установки.
3. Обеспечить движение с небольшой скоростью при отказе двух основных силовых установок.
4. Обеспечить маневрирование газотурбовоза с применением вспомогательного дизеля.
5. Повысить КПД всех силовых установок за счет их более рациональной компоновки, а именно, наличия двух каскадов компрессора и турбины у всех силовых установок и регенерации тепла на входе в основную силовую установку. Особенно значительно улучшены тяговые и весовые характеристики и уменьшен осевой габарит основной силовой установки локомотива счет применения биротативной схемы.
6. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора основной силовой установки без раскручивания другого ротора.
7. Облегчить условия работы роторов основных силовых установок за счет возможности их взаимного проскальзывания одного из двух роторов и их работы на различающихся частотах вращения.
8. Уменьшить вес и габариты основной силовой установки, особенно осевой габарит, что важно для газотурбовоза при вертикальном расположении основной силовой установки за счет применения биротативной схемы.
9. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов основной силовой установки без применения редуктора.