УСТРОЙСТВО ОТВОДА ВЫПУСКНЫХ ГАЗОВ ЛОКОМОТИВА С ТЕПЛОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к газовыпускным устройствам локомотивов с мощными тепловыми двигателями.
Известны устройства отвода выпускных газов локомотивов с двигателями внутреннего сгорания - тепловозов, представляющие собой газовыпускные патрубки, установленные на крыше локомотива неподвижно над выпускной трубой двигателя и направляющие выпускные газы двигателя вертикально вверх от наружной поверхности крыши. («Тепловозы СССР». Отраслевой каталог. Издательство ЦНИИТЭИтяжмаш, Москва, 1988 г., с. 12, 16, 18).
Недостатком таких устройств является то, что они направляют поток выпускных газов теплового двигателя, имеющих высокую температуру и переменную пульсирующую скорость, вертикально вверх в продольной плоскости, в которой над крышей локомотива на электрифицированных железнодорожных линиях протянут и удерживается несущими проводами контактный электрический провод. Тепловое и динамическое воздействие пульсирующего потока горячих выпускных газов, особенно интенсивное при стоянке локомотива с работающим двигателем под контактным проводом, уменьшает надежность и долговечность контактной сети.
Известно газовыпускное устройство локомотива, содержащее осерадиальный диффузор, имеющий в поперечном сечении омегообразный профиль, причем диффузор сообщен с выхлопной трубой, ось которой перпендикулярна направлению выхода отработанных газов газотурбинного двигателя. (RU, патент №2226610 C2, МПК F01D 25/30, 2003 г.).
Недостатками газовыпускного устройства являются отсутствие конструктивных элементов, снижающих температуру выпускных газов, а также повышенное аэродинамическое сопротивление устройства.
Известно устройство, осуществляющее охлаждение выхлопных газов двигателя, содержащее размещенную вокруг выхлопной среды емкость с гелием. Емкость находится внутри установки, в которой производят лазерное охлаждение гелия. Выхлопная труба может быть расположена спирально внутри холодильника. (RU, патент №2292469 C2, МПК F01N 3/02, 2004 г.).
Недостатком, исключающим возможность применения такого холодильника для охлаждения выпускных газов локомотивов, мощность двигателей которых составляет сотни и тысячи киловатт, является техническая невозможность отвода от выпускных газов требуемого количества тепла за счет лазерного охлаждения.
Известно устройство отвода выпускных газов локомотива, использующего в качестве топлива сжиженный газ, которое принято за прототип полезной модели, в котором выпускные газы перед их поступлением в газовыпускной патрубок пропускают через теплообменник - подогреватель криогенного газа, чем понижают их температуру. (RU, патент №2295467 C1, МПК B61C 5/00, 2007 г.).
Недостатком такого устройства отвода выпускных газов является то, что размещенный в газовыпускном патрубке теплообменник - подогреватель криогенного газа снижает температуру выпускных газов и кинетическую энергию газового потока в недостаточной степени ввиду ограниченного расхода и низкой теплоемкости топливного криогенного газа, при этом увеличивает аэродинамическое сопротивление выпускного тракта, что отрицательно сказывается на экономичности двигателя.
Техническим результатом полезной модели является снижение температуры и скорости выпускных газов над выпускными патрубками локомотивов с тепловыми двигателями для защиты контактной сети электрифицированных железнодорожных линий от теплового и динамического воздействия потока выпускных газов без ухудшения аэродинамических качеств газовыпускного тракта.
Указанный технический результат достигается в первом варианте полезной модели тем, что устройство отвода выпускных газов локомотива с тепловым двигателем, включающее газовыпускной патрубок двигателя, газовыпускное отверстие в крыше локомотива, снабжено установленным над газовыпускным отверстием в крыше локомотива и сообщенным с газовыпускным патрубком двигателя лопастным аппаратом, лопасти которого образуют газовые каналы, направляющие потоки выпускных газов под углами от 40 до 90 градусов в обе стороны от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось локомотива, над крышей локомотива.
Лопастной аппарат может быть установлен на направляющих, размещенных на крыше локомотива, и снабжен связанным с системой управления локомотива двухпозиционным механизмом перемещения лопастного аппарата по направляющим из исходного положения рядом с газовыпускным отверстием в крыше локомотива в рабочее положение над газовыпускным отверстием в крыше локомотива и обратно.
Указанный технический результат достигается во втором варианте полезной модели тем, что устройство отвода выпускных газов локомотива с тепловым двигателем, включающее газовыпускной патрубок двигателя, газовыпускное отверстие в крыше локомотива, снабжено установленным над газовыпускным отверстием в крыше локомотива и сообщенным с газовыпускным патрубком двигателя лопастным аппаратом, лопасти которого образуют газовые сопловые каналы и смежные с ними воздушные каналы, которые сообщены с атмосферой с торцев лопастного аппарата, и образуют с газовыми сопловыми каналами на выходе газов из устройства эжекционные камеры, в которых потоки выходящих из сопловых каналов выпускных газов и эжектируемые ими смежные потоки атмосферного воздуха из воздушных каналов и направляются под углами от 40 до 90 градусов в обе стороны от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось локомотива, над крышей локомотива.
Лопастной аппарат может быть установлен на направляющих, размещенных на крыше локомотива, и снабжен связанным с системой управления локомотива двухпозиционным механизмом перемещения лопастного аппарата по направляющим из исходного положения рядом с газовыпускным отверстием в крыше локомотива в рабочее положение над газовыпускным отверстием в крыше локомотива и обратно.
На фиг. 1 схематически показан первый вариант устройства отвода выпускных газов локомотива с тепловым двигателем, размещенного над газовыпускным отверстием в крыше локомотива, поперечный разрез.
На фиг. 2 схематически показан второй вариант устройства отвода выпускных газов локомотива с тепловым двигателем, размещенного над газовыпускным отверстием в крыше локомотива, поперечный разрез.
На фиг. 3 и 4 схематически показано подвижное устройство отвода выпускных газов локомотива с тепловым двигателем (выполненное по варианту 1 или 2), с двухпозиционным механизмом его перемещения в исходном (фиг. 3) и рабочем (фиг. 4) положении.
Устройство 1 отвода выпускных газов локомотива с тепловым двигателем (первый вариант, фиг. 1) включает лопастной аппарат 2, который установлен на крыше 3 локомотива над газовыпускным отверстием 4 и сообщен с газовыпускным патрубком 5. Поверхность крыши 3 локомотива вокруг газовыпускного отверстия 4 покрывают теплозащитным слоем 6.
Лопастной аппарат 2 устройства 1 снабжен лопастями 7, которые образуют газовые каналы 8, отклоняющие потоки выпускных газов на угол, равный 40-90 градусам в обе стороны от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось локомотива, над его крышей 3. Контактный электрический провод 9 и несущие провода 10 системы подвески контактного провода 9 располагаются над крышей 3 локомотива в вертикальной продольной центральной плоскости локомотива.
Лопастной аппарат 2 первого варианта устройства 1 (фиг. 1, 3, 4) может быть установлен подвижно на направляющих 11 (фиг. 3, 4), размещенных на крыше 3 локомотива в районе газовыпускного отверстия 4, и снабжен двухпозиционным механизмом перемещения 12 лопастного аппарата 2 с соединительным звеном 13 по направляющим 11 из исходного положения рядом с газовыпускным отверстием 4 в крыше локомотива 3 в рабочее положение над газовыпускным отверстием 4 в крыше локомотива 3.
Устройство 14 отвода выпускных газов локомотива с тепловым двигателем (второй вариант, фиг. 2) включает лопастной аппарат 15, который установлен на крыше 3 локомотива над газовыпускным отверстием 4 и сообщен с газовыпускным патрубком 5. Поверхность крыши 3 локомотива вокруг газовыпускного отверстия 4 покрывают теплозащитным слоем 6.
Лопасти 16 лопастного аппарата 15, образуют газовые сопловые каналы 17 и смежные с ними воздушные каналы 18, сообщенные с атмосферой с торцев лопастного аппарата 15 (на черт, не показано) так, что на выходе газов из каналов 17 образованы эжекционные камеры 19, в которых потоки выпускных газов, выходящие из газовых сопловых каналов 17, эжектируют смежные потоки атмосферного воздуха из воздушных каналов 18 и направляют под углом, равные от 40 до 90 градусов в обе стороны от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось локомотива, над его крышей 3.
Лопастной аппарат 15 второго варианта устройства 1 (фиг. 2, 3, 4) может быть, как и в первом варианте устройства, установлен подвижно на направляющих 11 (фиг. 3, 4), размещенных на крыше 3 локомотива в районе газовыпускного отверстия 4, и снабжен двухпозиционным механизмом перемещения 12, связанным с подвижным лопастным аппаратом 15 соединительным звеном 13.
Устройство отвода выпускных газов локомотива с тепловым двигателем работает следующим образом.
Устройство 1 первого варианта (фиг. 1) принимает поток выпускных газов двигателя из газовыпускного патрубка 5 через отверстие 4 в газовые каналы 8, образованные лопастями 7 лопастного аппарата 2, разделяя поток на две - левую и правую половины. Геометрическая форма и величина проходных сечений газовых каналов 8 обеспечивают плавный, с минимальными аэродинамическими потерями поворот обоих газовых потоков на угол от 40 до 90 градусов от вертикальной продольной центральной плоскости локомотива и, следовательно, их удаление от контактного провода 9 и несущих проводов 10 на электрифицированных участках железных дорог. Использование направляющих 11 и двухпозиционного механизма 12 перемещения лопастного аппарата из исходного в рабочее положение и обратно (фиг. 3, 4) позволяет применять устройство 1 (вариант 1) в наиболее неблагоприятных случаях, например, при стоянке локомотива с работающим двигателем под контактным проводом 9. При движении локомотива, когда воздействие температуры и пульсаций газовых потоков на участки контактного провода кратковременно, лопастной аппарат по сигналу системы управления отводят в исходное положение, чем исключают дополнительное аэродинамическое сопротивление выходу газа из газовыпускного патрубка 5.
Устройство 14 второго варианта (фиг. 2) аналогично устройству первого варианта принимает поток выпускных газов двигателя из газовыпускного патрубка 5 через газовыпускное отверстие 4 в образованные лопастями 16 лопастного аппарата 15, газовые сопловые каналы 17, разделяя поток на две - левую и правую половины. Геометрическая форма и величина проходных сечений газовых сопловых каналов 17 обеспечивают плавный, с минимальными аэродинамическими потерями поворот обоих газовых потоков на угол от 40 до 90 градусов от вертикальной продольной центральной плоскости локомотива и, следовательно, их удаление от контактного 9 и несущих 10 проводов на электрифицированных участках железных дорог. Дополнительно к повороту газовых потоков, в лопастном аппарате 15 второго варианта устройства 1 осуществляется эжекционный подсос газовыми потоками, выходящими из газовых сопловых каналов 17, смежных потоков атмосферного воздуха, поступающего в эжекционные камеры 19 по воздушным каналам 18, открытым в атмосферу на торцах лопастного аппарата 15 (фиг. 4). Атмосферный воздух смешивается с выпускными газами и понижает температуру газовоздушной смеси, выходящей из каналов лопастного аппарата в атмосферу, что наряду с поворотом обоих газовых потоков на угол от 40 до 90 градусов от вертикальной продольной центральной плоскости локомотива и их удалением от контактного 9 и несущих 10 проводов еще более уменьшает тепловое воздействие выпускных газов локомотива с тепловым двигателем на контактную сеть электрифицированных железных дорог.
Использование направляющих 11 и двухпозиционного механизма 12 перемещения лопастных аппаратов 2 и 16 из исходного в рабочее положение и обратно (фиг. 3, 4) позволяет применять устройства 1 первого и второго вариантов в наиболее неблагоприятных случаях, например, при стоянке локомотива с работающим тепловым двигателем под контактным проводом 9. При движении локомотива, когда воздействие температуры и пульсаций газовых потоков на участки контактного провода кратковременно, лопастной аппарат по сигналу системы управления отводят в исходное положение, чем исключают дополнительное аэродинамическое сопротивление выходу газа из выпускного патрубка 5.
Таким образом, снижение температурного и динамического воздействия выпускных газов локомотивов с тепловыми двигателями на контактную сеть электрифицированных железнодорожных линий обеспечивают отклонением потоков выпускных газов от контактного провода в первом варианте устройства и отклонением потока выпускных газов от контактного провода с одновременным интенсивным перемешиванием выпускных газов с атмосферным воздухом путем эжектирования последнего во втором варианте устройства без ухудшения аэродинамических качеств газовыпускного тракта.