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.
Известна силовая установка по патенту РФ на изобретение №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.
Известна силовая установка по патенту РФ №2189477, которая содержит газотурбинный двигатель - ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной, и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.
Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.
Известна силовая установка газотурбовоза по патенту РФ №2272916 (прототип), 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.
Недостатками этого двигателя является низкий КПД силовой установки из-за того, что 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. Если же компенсировать снижение температуры газа перед турбиной увеличением расхода топлива, это приведет к дефектам в виде прогара сопловых и рабочих лопаток турбины. Кроме того, длительное пропускание большого расхода воды через систему охлаждения турбины приводит к отложению накипи в системе охлаждения турбины и ухудшению охлаждения. Применение дистиллированной воды невозможно по техническим и экономическим соображениям. Кроме того, регенеративный теплообменник имеет недостаточную поверхность теплообмена, для того, чтобы полностью утилизировать тепло выхлопных газов.
Задачи создания изобретения: повышение надежности газотурбовоза и силовой установки и улучшение управляемости газотурбовозом.
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, и соединенные соединительными валами с раздаточной коробкой, а на крыше установлен воздушный винт, соединенный соединительным валом с раздаточной коробкой.
Решение указанной задачи достигнуто в основной силовой установке газотурбовоза, содержащей турбокомпрессор с корпусом, компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и реактивное сопло, отличающейся тем, что 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 с 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…5, где
на фиг.1 приведена схема газотурбовоза,
на фиг.2 - вид А-А,
на фиг.3 приведен вид газотурбовоза сбоку,
на фиг.4 приведена схема размещения датчиков боковых усилий,
на фиг.5 приведена схема основной силовой установки газотурбовоза.
Газотурбовоз 1 (фиг.1…5) 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, соединен с газотурбинным двигателем 8 через управляемую муфту 10, соединительный вал 11 и редуктором 12 (раздаточную коробку). Тяговый (тяговые) привод(ы) 13 при помощи силовых валов 14 соединен(ы) с редуктором 12. Силовые валы 14 также имеют управляемые муфты 10. На крыше 4 в задней части корпуса 2 установлен вертикальный аэродинамический руль 16, соединенный с приводом 17.
Платформа 5 при помощи колесных пар 15 установлена на рельсах 18.
Газотурбинные двигатели 8 (фиг.3) содержат входное устройство 19 и два турбокомпрессора: первый - 20 и второй - 21, выполненных по биротативной схеме, т.е. без сопловых и направляющих аппаратов, с возможностью вращения в противоположные стороны. Первый турбокомпрессор 20 содержит компрессор низкого давления 22 и турбину низкого давления 23. Второй турбокомпрессор 21 содержит компрессор высокого давления 24 и турбину высокого давления 25. Компрессор низкого давления 22 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо 26. Турбина низкого давления 23 содержит также, по меньшей мере, одно рабочее колесо 27. Рабочие колеса 26 и 27 первого турбокомпрессора 20 соединены внутренним валом 28. Аналогично, компрессор высокого давления 24 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо 26, а турбина высокого давления 25 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо 27. Рабочие колеса 26 компрессора высокого давления 24 и рабочее колесо (колеса) 27 турбины высокого давления 25 соединены внешним валом 29. Внутренний вал 28 установлен на подшипниках 30, а внешний вал 29 установлен на подшипниках 31. Газотурбинный двигатель 8 имеет внешний корпус 32, к которому крепится камера сгорания 33 с форсунками 34, к внешнему корпусу 32 также крепятся при помощи ребер 35 входное устройство 19 и при помощи ребер 36 реактивное сопло 37. Перед камерой сгорания 33 установлен спрямляющий направляющий аппарат 38, а за камерой сгорания 33 - сопловой аппарат 39.
Топливная система каждой основной силовой установки 8 содержит топливопроводы 40а и 40b, в которых установлены топливные насосы 41ab, 41b, соединенные с приводами 42аb, 42b. Основная силовая установка 8 установлена в мотогондолах 7, прикрепленных к двум аэродинамическим крыльям 6 (фиг.1 и 2). Газотурбовоз оборудован блоком управления 43 и двумя датчиками боковых усилий 44а и 44в, установленными на передней колесной паре 17, соответственно на левом и правом колесах. Датчики боковых усилий 44а и 44б соединены с блоком управления 43. К блоку управления 43 также подключены приводы 42а и 42в топливных насосов 41а и 41в (левой и правой основных силовых установок 8).
При работе сначала запускают вспомогательный дизель 9, потом обе основных силовых установки 8 по очереди при помощи вспомогательного дизеля 9, выполняющего функцию стартера, раскручивают один из турбокомпрессоров 20 или 21 одного газотурбинного двигателя, запускают привод 41а, который раскручивает топливный насос 41а, топливо (сжиженный природный газ - СПГ) по топливопроводу 40а подается в форсунки 34 камеры сгорания 33, где воспламеняется при помощи пирозапальника или электрозапальника (на фиг.1…5 не показан). Продукты сгорания проходят через турбину высокого давления 25 и турбину низкого давления 23. Мощность с турбин 25 и 23 передается на компрессоры 22 и 24, которые сжимают воздух, идущий в камеру сгорания 32. Значительная часть мощности (70…80%) подается на тяговый привод 13 и на колесные пары 15 и создает тягу газотурбовоза (локомотива) 1. Кроме того, две основные силовые установки 8, выполненные в виде газотурбинных двигателей, создают дополнительно реактивную тягу 20…30% от общего тягового усилия.
При отказе одной из силовых установок 8 она отключается при помощи 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 вертикального аэродинамического руля 16, которым управляет привод руля 17. Одновременно режим работы основных силовых установок 8 регулируется топливными насосами 41а и 41b. Управление осуществляет блок управления 43 по показаниям датчиков боковых усилий 44а и 43b, при этом основная силовая установка 8, находящаяся на той стороне, на которой показания датчика бокового усилия 44а или 44b увеличиваются, переводится на пониженный режим работы или отключается, одновременно привод 17 поворачивает вертикальный аэродинамический руль до выравнивания боковых усилий:
Рправ=Рлев.
Останов основных силовых установок 8 осуществляется прекращением подачи топлива. Реверсирование при помощи раздаточной коробки 12 или применением реверса на основных силовых установках 8 (детально это устройство в материалах заявки не приведено). Аварийный останов осуществляется выключением основных силовых установок 8 и торможением колесных пар 15, а маневрирование использованием вспомогательного дизеля 9.
Применение изобретения позволило:
1. Улучшить и полностью автоматизировать управление газотурбовозом за счет применения блоков управления, датчиков, управляемых муфт и вертикального аэродинамического руля.
2. Повысить надежность газотурбовоза (локомотива) за счет связи при помощи трансмиссии двух двигательных установок: основной силовой и вспомогательного дизеля и возможности продолжения полета при отказе одного из них.
4. Обеспечить маневрирование газотурбовоза с применением вспомогательного дизеля.
5. Повысить КПД всех двигательных силовых установок за счет более рациональной компоновки всех силовых установок, 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 за 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 за счет применения биротативной схемы.
9. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов основной силовой установки без применения редуктора.