СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТЯГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ГАЗОТУРБОВОЗА
GAS TURBINE LOCOMOTIVE TRACTION TRANSDUCER COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области рельсовых транспортных средств, в частности к системам жидкостного охлаждения тягового преобразователя генератора газотурбовоза, работающего на криогенном газовом топливе.
Известна система воздушного охлаждения преобразователя, содержащая силовые, охлаждаемые транзисторы, установленные непосредственно на воздушных радиаторах, а также вентиляторную установку с приводом для подачи охлаждающего воздуха в каналы радиатора, воздухоочистители и воздуховоды («Применение тяговых преобразователей на базе транзисторов JGBT», Железные дороги мира 05-2002, стр. 37-38; И.Тайгелькеттер (J.Teigelkotter), Д.Шпренгер (D.Sprenger)).
Недостатками известной системы воздушного охлаждения являются:
- безвозвратная потеря тепла преобразователя;
- большие габаритные размеры радиаторов, вентиляторов с воздуховодами и соответственно всего преобразователя;
- сложность конструкции и высокая стоимость воздушных радиаторов;
- относительно высокие трудозатраты и квалификация персонала для монтажа транзисторов на радиаторы;
- сложность системы воздушного охлаждения, содержащей вентиляторную установку с приводом, воздухоочистители и громоздкие воздуховоды; большие габаритные размеры перечисленного оборудования на тепловозе;
- расходы энергии на работу вентиляторной установки;
- ограниченная надежность при эксплуатации в условиях низких отрицательных температур окружающей среды.
Известна система жидкостного охлаждения транзисторов силовых (тяговых) преобразователей, принятая за прототип, содержащая транзисторы с жидкостными охладителями, насос с приводом для прокачки охлаждающей жидкости через преобразователь, воздушный радиатор (теплообменник), для отвода тепла от охлаждающей жидкости в атмосферу, расширительный бак, вентилятор с приводом, обеспечивающий циркуляцию воздуха через водовоздушный радиатор (теплообменник), электроподогреватель для стабилизации стабилизации температурных условий работы преобразователя в условиях отрицательных температур атмосферного воздуха («Применение тяговых преобразователей на базе транзисторов JGBT», Железные дороги мира 05-2002, стр. 34-38; И.Тайгелькеттер (J.Teigelkotter), Д.Шпренгер (D.Sprenger); «Тяговый преобразователь фирмы Siemens на транзисторах JGBT», Железные дороги мира, №12, 1999).
Положительным свойством системы жидкостного охлаждения по сравнению с воздушной является уменьшенные габариты охладителей транзисторов, благодаря чему могут быть уменьшены размеры преобразователя или увеличена его мощность, а также более высокие показатели надежности при работе преобразователя в условиях низких температур атмосферного воздуха.
Недостатками известной системы жидкостного охлаждения транзисторов тяговых преобразователей являются безвозвратная потеря тепла преобразователей, наличие на локомотиве воздушного радиатора с вентилятором и его приводом, что существенно увеличивает их суммарные габариты и массу и в итоге затрудняет общую компоновку локомотива, а также приводит к дополнительным затратам электроэнергии на привод вентилятора.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и экономичности газотурбинной установки, снижение стоимости и габаритов системы охлаждения тягового преобразователя газотурбовоза за счет использования в качестве теплообменника для отвода тепла от охлаждающей в охладителях транзисторов жидкости в виде жидкостно-топливного теплообменника, включенного в трубопровод подачи криогенного газового топлива до или после основного подогревателя топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе охлаждения тягового преобразователя газотурбовоза, содержащей жидкостные охладители транзисторов тягового преобразователя, включенные в охлаждающий контур, в который включен насос с приводом для прокачки охлаждающей жидкости, теплообменник для отвода тепла от охлаждающей в охладителях транзисторов жидкости, расширительный бак, теплообменник выполнен в виде жидкостно-топливного теплообменника, включенного в трубопровод подачи криогенного газового топлива газотурбовоза до или после основного подогревателя топлива, установленного в выхлопном патрубке газотурбинной установки, при этом охлаждающий контур снабжен термостатом и перепускным трубопроводом мимо жидкостно-топливного теплообменника.
На фиг.1 изображена принципиальная схема системы охлаждения тягового преобразователя газотурбовоза с теплообменником для отвода тепла от охлаждающей транзисторы жидкости, включенного в трубопровод подачи криогенного газового топлива газотурбовоза до основного подогревателя топлива.
На фиг.2 изображена принципиальная схема системы охлаждения тягового преобразователя газотурбовоза с теплообменником для отвода тепла от охлаждающей транзисторы жидкости, включенного в трубопровод подачи криогенного газового топлива газотурбовоза после основного подогревателя топлива.
Система охлаждения тягового преобразователя газотурбовоза, работающего на криогенном газовом топливе, содержит жидкостные охладители 1 транзисторов тяговых преобразователей, включенные в охлаждающий их контур 2, в который включен насос 3 с приводом для прокачки охлаждающей жидкости по контуру 2, теплообменник 4, для отвода тепла от охлаждающей охладители 1 транзисторов жидкости, который выполнен в виде жидкостно-топливного теплообменника, включенного в топливный трубопровод 5 подачи криогенного газового топлива в турбину до или после основного подогревателя (газофикатора) топлива 6, установленного в выхлопном патрубке 7 газотурбинной установки.
Охлаждающий контур 2 системы снабжен расширительным баком 8 с паровоздушным клапаном 9. В охлаждающий контур 2 системы охлаждения включен термостат 10 для перепуска части охлаждающей жидкости по перепускному трубопроводу 11 мимо жидкостно-топливного теплообменника 4, что предотвращает переохлаждение охладителей 1 транзисторов тяговых преобразователей и других элементов системы.
Топливный трубопровод 5 подачи криогенного газового топлива соединяет криогенную емкость 12 с камерой сгорания 13 газотурбинного двигателя через топливный насос 14, жидкостно-топливный теплообменник 4 и основной подогреватель топлива 6.
Система работает следующим образом.
При работе газотурбинной установки на холостом ходу подача топлива в камеру сгорания турбины 13 относительно невелика. Поэтому криогенное топливо в основном подогревателе (газофикаторе) топлива 6 нагревается до максимальной температуры. В это же время преобразователи не работают и, следовательно, не выделяют тепла. Поэтому дополнительного увеличения температуры топлива не происходит.
При работе газотурбовоза на номинальном режиме количество топлива, подаваемого в камеру сгорания 13, увеличивается более чем в 10 раз, температура топлива при этом резко уменьшается и, в силу того, что основной подогреватель (газофикатор) топлива 6 ограничен по своим возможностям из условия не превышения температуры газа на холостом ходу, на максимальном режиме температура топлива может приблизиться к минимальному допустимому значению +5°С. Наличие теплообменника 4 для отвода тепла от охлаждающей охладители 1 транзисторов жидкости позволяет устранить или существенно сократить опасность подачи переохлажденного топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя. Циркуляция охлаждающей жидкости по конуру 2 осуществляется с помощью насоса 3. Температурный перепад между криогенным топливом (-159…-161°С) и допустимой температурой стенки транзистора (+100°С) позволяет выполнить конструкции теплообменника 4 и жидкостные охладители 1 транзисторов с минимальными геометрическими размерами. Для предотвращения переохлаждения металлических деталей контура циркуляции жидкости и, главное, транзисторов в жидкостном контуре предусмотрен термостат 10, перепускающий часть теплой жидкости мимо теплообменника 4 по трубопроводу 11. Жидкостной контур системы охлаждения транзисторов 5 выполнен закрытого типа с компенсационным расширительным баком 8 и паровоздушным клапаном 9 для удаления воздуха из системы. Расположение теплообменника 4 до основного подогревателя (газофикатора) топлива 6, представленного на фиг.1, и после, представленного на фиг.2, позволяет при проектировании системы охлаждения оптимизировать ее параметры, такие как температура кристаллизации жидкости в контуре 2, разницу температур в теплообменнике 4, глубину охлаждения транзисторов в охладителях 1 и динамические свойства системы подогрева топлива до камеры сгорания 13.
Таким образом, предлагаемая объединенная система, во-первых, обеспечит эффективное охлаждение преобразователей со значительным уменьшением габаритов их охладителей, во-вторых, существенно упростит систему охлаждения преобразователя, снизив ее стоимость и повысив экономичность по сравнению с автономными воздушной или жидкостной системами, так как для нее не требуются вентиляторы, воздухоочистители, воздуховоды, и поэтому облегчится размещение другого оборудования на локомотиве и, в-третьих, обеспечит повышение надежности как транзисторов, в том числе исключив их возможное переохлаждение в условиях зимней эксплуатации, так и системы подготовки топлива, сократив диапазон температуры топлива, подаваемого в камеру сгорания на номинальном и холостом режимах работы газотурбинной установки.