ЛОКОМОТИВ ТРЕХСЕКЦИОННЫЙ АВТОНОМНЫЙ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается трехсекционных автономных локомотивов.
Известны трехсекционные локомотивы-тепловозы типа 3ТЭ10, каждая из секций которых оснащена энергетической установкой с двухтактным дизелем 10Д100 мощностью 2206 кВт, использующим жидкое дизельное топливо. Дизели приводят во вращение тяговые генераторы постоянного тока. Каждый тяговый генератор электрически соединен с тяговыми электродвигателями своей секции. Способ работы тепловозов типа ЗТЭЮ заключается в запуске каждого из двигателей и их совместной или раздельной работе на режимах тепловозной характеристики при контроллерном управлении с пульта машиниста одной из секций. («Тепловозы СССР». Отраслевой каталог 18-5-88, Минтяжмаш, М., 1988, с.17-19).
Недостатками трехсекционных локомотивов этого типа являются:
- ограниченный уровень общей мощности локомотива, определяемый применением в каждой из секций поршневых двухтактных дизелей одинаковой и ограниченной по величине мощности, которая при реализуемых в условиях локомотива габаритах и массах двигателей ограничена уровнем 2000-2200 кВт;
- повышенные расходы жидкого дизельного топлива и дизельного масла; - значительные выделения с выпускными газами вредных веществ, что свойственно двухтактным дизелям данного типа.
Известен образец трехсекционного автономного локомотива-газотепловоза 2ТЭ116Г производства Луганского завода. Локомотив включает три секции, из которых две оснащены однотипными энергетическими установками с четырехтактными газодизелями мощностью по 2206 кВт, работающими с использованием сжиженного природного газа в качестве основного топлива и приводящими во вращение синхронные тяговые генераторы. Каждый тяговый электрогенератор электрически соединен через преобразователи тока с тяговыми двигателями своей секции. Третья секция локомотива-тендер расположена между секциями, оснащенными газодизелями, и содержит криогенные емкости с запасом сжиженного природного газа (СПГ), а также оборудование для его газификации. Для нагревания и газификации СПГ секция-тендер снабжена теплообменниками, соединенными гибкими шлангами с системами жидкостного охлаждения двигателей. Газодизели локомотива кроме основного - газового топлива используют к качестве запального жидкое дизельное топливо. Секция-тендер не имеет обмоторенных колесных пар. («Газотепловозы. Опыт и перспективы развития». Л.М.Бондаренко и др. Труды ВНИТИ, Коломна, 1999 г., вып.79, с.419-422).
При работе трехсекционного локомотива-газотепловоза 2ТЭ116Г производится последовательный запуск двигателей и их работа на режимах тепловозной характеристики при контроллерном управлении с пульта управления одной из секций, оборудованных газодизелями.
Недостатками указанного локомотива являются:
- ограниченный уровень общей мощности локомотива, определяемый применением в каждой из двух секций газодизелей, мощность которых при реализуемых в условиях локомотива габаритах и массах двигателей ограничена;
- ограниченное тяговое усилие ввиду отсутствия обмоторенных колесных пар у секции-тендера, что не позволяет использовать массу тендера для увеличения силы тяги локомотива;
-
равенство номинальных мощностей двигателей обоих секций, оснащенных газодизелями, ограничивающее возможность оптимизации режимов работы двигателей при изменении весов и условий движения состава;
- разобщенность секций, оснащенных газодизелями, между которыми размещается секция-тендер с емкостью СПГ, что затрудняет действия локомотивной бригады.
Известен трехсекционный автономный локомотив-газотурбовоз, производства фирм «Дженерал Электрик» и АЛКО (США) мощностью 8500 л.с., принятый в качестве прототипа. Локомотив содержит секцию А, в которой размещены кабина машиниста, энергетическая установка меньшей мощности в виде вспомогательного дизель-генератора, работающего на дизельном топливе, с номинальной мощностью 1000 л.с., что составляет менее 12% мощности энергетической установки газотурбинного двигателя (ГТД) секции Б газотурбовоза. На секции размещены также система охлаждения вспомогательного дизеля и масла ГТД, вентиляторы воздушного охлаждения тяговых двигателей, аппаратура управления, реостатный тормоз, бак с дизельным топливом.
Секция Б оборудована энергетической установкой большей мощности - ГТД мощностью 8500 л.с., работающим на тяжелом нефтяном топливе - мазуте. Приводимый ГТД тяговый электрогенератор электрически соединен с тяговыми двигателями секций А и Б. Колесные пары секций А и Б оснащены тяговыми электродвигателями.
В третьей секции-тендере газотурбовоза хранится в нагретом состоянии в теплоизолированной емкости и транспортируется тяжелое топливо - мазут. Топливо подается по трубопроводу из секции-тендера в секцию Б, оснащенную ГТД. Колесные пары секции-тендера тяговыми электродвигателями не оборудованы.
Газотурбинный двигатель работает на всех режимах тяги поездов. Двигатель меньшей мощности - вспомогательный дизель-генератор для повышения тяговой мощности локомотива при вождении составов не используется. («Газотурбинная тяга: история и перспективы». Авторы В.С. Коссов, Э.И. Нестеров. Журнал «Локомотив №3, 2005 г., стр.41).
Недостатками указанного трехсекционного локомотива являются:
- мощность вспомогательного дизель-генератора значительно меньше мощности основного двигателя - ГТД и не используется на тягу составов;
- усложнение топливной системы, системы управления энергетической установкой газотурбовоза и технологии экипировки локомотива вследствие применения двигателями большей и меньшей мощности различных видов топлива - соответственно мазута и дизельного топлива;
-
масса секции-тендера, колесные пары которой не оборудованы тяговыми электродвигателями, не используется для увеличения силы тяги локомотива;
-
низкий коэффициент полезного действия локомотива при работе двигателя большей мощности - ГТД на режимах малых и средних нагрузок и на холостом ходу.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение мощности и силы тяги локомотива, снижение удельного расхода топлива на режимах малых нагрузок и холостого хода, повышение коэффициента полезного действия локомотива, уменьшение рисков остановки составов, связанных с неисправностями основной топливной системы двигателей локомотива.
Указанный технический результат достигается тем, что локомотив трехсекционный автономный, содержит две секции, которые оборудованы энергетическими установками с двигателями, использующими в качестве основного жидкое или газообразное топливо и приводящими тяговые электрогенераторы, и тяговыми электродвигателями, третью секцию-тендер, которая оборудована емкостью для хранения и транспортирования основного топлива обоих двигателей, номинальная мощность двигателя одной из секций составляет от 15 до 50 процентов номинальной мощности двигателя второй секции, колесные пары третьей секции-тендера оборудованы тяговыми электродвигателями, тяговые электрогенераторы, приводимые во вращение двигателями двух секций локомотива, электрически соединены через преобразователи тока с каждым из тяговых электродвигателей всех трех секций локомотива.
Двигатель меньшей мощности может быть выполнен способным работать на двух видах топлива. В качестве двигателя большей мощности может быть применен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания или газотурбинный двигатель. В качестве двигателя меньшей мощности может быть применен газодизель.
На чертеже изображен локомотив трехсекционный автономный. Локомотив трехсекционный автономный содержит:
- секцию 1, которая оборудована энергетической установкой-двигателем меньшей мощности 2, приводящим во вращение тяговый электрогенератор 3,
- секцию 4, которая оборудована энергетической установкой-двигателем большей мощности 5, приводящим во вращение тяговый электрогенератор 6;
- секцию-тендер 7, которая содержит емкость 8 основного топлива двигателей 2 и 5;
- топливопровод 9 для передачи основного топлива двигателей 2 и 5 из топливной емкости 8 секции-тендера 7 в секции 4 и 1 для двигателей 5 и 2 соответственно.
Секции 1, 4 и секция-тендер 7 оборудованы колесными парами 10 с тяговыми электродвигателями 11. Тяговые электрогенераторы 3 и 6, приводимые соответственно двигателем меньшей мощности 2 в секции 1 и двигателем большей мощности 5 в секции 4, электрически соединены через преобразователи тока (на чертеже не показаны) с каждым из тяговых электродвигателей 11 секций 1, 4 и секции-тендера 7 локомотива.
Величина номинальной мощности двигателя 2 меньшей мощности установлена равной не менее 15% и не более 50% величины номинальной мощности двигателя 5 большей мощности.
Работа локомотива трехсекционного автономного осуществляется следующим способом.
При подготовке локомотива к работе топливную емкость 8 секции 7 заполняют топливом. Топливо подают по топливопроводу 9 к двигателю меньшей мощности 2 на секции 1 и двигателю большей мощности на секции 4. Производят запуск двигателя 2 и осуществляют электропитание от тягового генератора 3 всех вспомогательных систем локомотива и тяговых двигателей 11 для подачи локомотива к составу. Для начала движения состава мощность двигателя 2 повышают до номинального значения. Соответствующая электрическая мощность тягового генератора 3, передается на тяговые двигатели 11 и обеспечивает трогание состава с места и начало движения состава со скоростью, определяемой массой состава и мощностью, передаваемой тяговым двигателям 11. Для повышения тяговой мощности локомотива в соответствии с массой состава и требуемой скоростью разгона и ведения состава автоматически осуществляется запуск двигателя большей мощности 5 на секции 4, питание тяговых двигателей 11 от тягового генератора 6, разгон и ведение состава.
После приема двигателем большей мощности 5 нагрузки, соответствующей номинальной мощности двигателя 2, двигатель меньшей мощности 2 останавливают или переводят на режим холостого хода. Питание тяговых двигателей 11 и вспомогательных систем локомотива осуществляется за счет работы двигателя большей мощности 5 с тяговым электрогенератором 6. При необходимости повышения мощности энергетической установки локомотива выше номинальной мощности двигателя 5, запускают двигатель 2 и за счет электрической мощности тягового генератора 3, передаваемой тяговым электродвигателям 11 локомотива, увеличивают используемую на тягу мощность энергетической установки локомотива на 15%-50% сверх номинальной мощности двигателя 5. При необходимости уменьшения мощности энергетической установки локомотива до уровня номинальной мощности двигателя 5 останавливают или переводят на режим холостого хода двигатель 2. При необходимости уменьшения мощности энергетической установки локомотива до уровня мощности двигателя 2 запускают двигатель меньшей мощности 2 и останавливают двигатель большей мощности 5. При необходимости прекращения работы энергетической установки локомотива первым останавливают двигатель большей мощности 5. При ведении составов с малой массой используют только двигатель меньшей мощности 2 с тяговым электрогенератором 3, имеющий более высокий коэффициент полезного действия (КПД) в сравнении с КПД двигателя 5 большей мощности на режимах малой мощности. Работа двигателя 5 большей мощности на режимах малых нагрузок и холостого хода не производится.
Полезная модель локомотива трехсекционного автономного, оснащенного двигателем большей мощности 5 и двигателем меньшей мощности 2, номинальная мощность которого составляет от 15% до 50% номинальной мощности двигателя большей мощности 5 и используется для питания тяговых электродвигателей при ведении составов, позволяет исключить работу двигателя большей мощности 5 на режимах малых нагрузок и холостого хода, при которых расход топлива двигателей большей мощности существенно превышает соответствующий расход топлива двигателей меньшей мощности. Поэтому предлагаемый трехсекционный автономный локомотив обеспечивает значительное уменьшение эксплуатационного расхода топлива на тягу поездов.
Благодаря тому, что колесные пары 10 третьей секции-тендера 7 оснащены тяговыми электродвигателями 11, которые электрически соединены с тяговыми электрогенераторами 3 и 6 соответственно двигателя меньшей мощности 2 и двигателя большей мощности 5, масса секции-тендера 7 локомотива используется для увеличения силы тяги локомотива, которая повышается в сравнении с силой тяги локомотива-прототипа на 20-30%.
Двигатели меньшей и большей мощности соответственно 2 и 5 используют в качестве основного топлива одно из топлив: дизельное топливо, или мазут, или природный газ, что позволяет упростить топливную систему локомотива в сравнении с прототипом.
Двигатель меньшей мощности 2 может быть выполнен двухтопливным - способным работать на топливах двух видов, например, газообразном и жидком топливе (на чертеже не показано), что снижает риски, связанные с проблемами использования некоторых видов топлива (мазута, криогенного газового топлива). В случае отказа топливной системы основного топлива двухтопливность двигателя меньшей мощности 2 снижает риск срыва движения (порчи) состава, который может транспортироваться с использованием двигателем 2 топлива второго вида. В качестве двухтопливного двигателя меньшей мощности на локомотиве может быть использован, например, газодизель. В качестве двигателя большей мощности на локомотиве может быть применен, например, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания или газотурбинный двигатель.
Применение в составе локомотива трехсекционного автономного секции, оборудованной двигателем с номинальной мощностью, равной 15%-50% номинальной мощности двигателя другой секции локомотива, существенно увеличивает общую мощность энергетической установки локомотива при совместной работе двигателей большей и меньшей мощности. При достигнутой агрегатной мощности энергетических установок автономных локомотивов и указанном соотношении мощностей двух двигателей общая мощность энергетической установки предлагаемого локомотива может составить более 10000 кВт и превысить мощность прототипа - трехсекционного газотурбовоза фирмы Дженерал Электрик на 50 процентов. В то же время двигатель меньшей мощности обеспечивает вождение поездов небольшой массы и исключает работу двигателя большей мощности на неэкономичных для него режимах малых нагрузок и холостого хода.