ДВУХСЕКЦИОННЫЙ ГАЗОТУРБОВОЗ
TWO-SECTION GAS TURBINE LOCOMOTIVE

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции локомотивов, в частности газотурбовозов.
Известна секция двухсекционного грузового газотурбовоза Г1. В средней части кузова на раме секции смонтирован газотурбинный двигатель (ГТД). Осевой компрессор ГТД всасывает наружный воздух через фильтры и направляет в камеры сгорания, в которые подается подогретое тяжелое жидкое нефтяное топливо. Газы, выходящие из камеры сгорания, вращают турбину, которая через редуктор передает вращение двум тяговым генераторам, питающим тяговые электродвигатели. Отработавшие газы ГТД выбрасываются через выхлопной патрубок, в котором расположен подогреватель тяжелого жидкого топлива (теплообменник).
В секции установлен вспомогательный дизель-генератор, обеспечивающий пуск ГТД, электропривод тормозного компрессора и одиночное перемещение газотурбовоза. После запуска ГТД вспомогательный дизель-генератор останавливается. Предусмотрен запуск ГТД на жидком дизельном топливе с последующим переходом на тяжелое жидкое нефтяное топливо (Статья «Газотурбинная тяга: история и перспективы», журнал «Локомотив» №4, 2005 г., стр.37, 38). Недостатками известного газотурбовоза являются:
- низкий коэффициент полезного действия (кпд);
- применение тяжелого нефтяного топлива, ухудшающего экологические показатели газотурбовоза;
- наличие в каждой секции газотурбовоза вспомогательного дизель-генератора и емкости для топлива газотурбинного двигателя, что удорожает, усложняет конструкцию и не позволяет устанавливать достаточные емкости сжиженного газа.
Известен газотурбинный локомотив, газотурбинный двигатель которого работает на сжатом природном газе. Баллоны со сжатым газом размещены на раме локомотива, занимают около половины его длины и имеют значительную массу (US, патент №5129328, МПК В61С 5/00, 1992 г.).
Недостатками известного газотурбовоза являются:
- невысокая секционная мощность, связанная с загромождением секции баллонами со сжатым газом;
- недостаточный запас горючего газа при большом весе баллонов;
- повышенная взрывоопасность из-за высокого давления сжатого газа в баллонах.
Известен двухсекционный газотурбовоз с тендером для тяжелого жидкого нефтяного топлива, представляющим собой отдельный вагон-цистерну.
Рама каждой из двух тяговых секций опирается на две трехосные тележки с колесными парами и тяговыми электродвигателями (ТЭД) с воздушным охлаждением, патрубками подвода и выхода охлаждающего воздуха.
В одной секции размещен силовой блок (газотурбинная установка), включающий газотурбинный двигатель (ГТД) с осевым компрессором, камерами сгорания, устройствами воздухоподготовки и шумоглушения. ГТД соединен через редуктор с тяговым и вспомогательным генераторами.
Топливная система ГТД включает топливный насос, подающий топливо из топливной емкости тендера в камеры сгорания ГТД.
Во второй секции расположены кабина машиниста и вспомогательное оборудование: вспомогательный дизель-генератор, бак дизельного топлива, система охлаждения дизеля и смазочного масла подшипников ГТД и электрогенераторов, тяговые электродвигатели, вентилятор охлаждения ТЭД, тормозные компрессоры, аккумуляторная батарея, аппаратура управления.
Тяжелое топливо заливается в емкость тендера при температуре 93°С. Для поддержания топлива в нагретом состоянии стенки емкости снабжены термоизоляцией.
Секции соединены силовыми кабелями, кабелями управления, двумя рукавами для охлаждающей воды, трубопроводом дизельного топлива для запуска ГТД, тормозными рукавами (Статья «Газотурбинная тяга: история и перспективы», журнал «Локомотив» №3, 2005 г., стр.41).
Недостатками известного двухсекционного газотурбовоза с тендером являются:
- наличие одной кабины управления;
- применение тяжелого подогреваемого нефтяного топлива, ухудшающего экологические показатели газотурбовоза;
- наличие отдельного тендера с запасом тяжелого жидкого топлива, что увеличило массу, размеры и снизило эффективность газотурбовоза.
Известен реактивный газотурбинный локомотив (газотурбовоз), содержащий турбореактивный газотурбинный двигатель, компрессор этого двигателя с входным каналом (патрубком) с воздухозаборником, двухтопливную камеру сгорания, теплообменник - газификатор (подогреватель топлива) сжиженного газа, обогреваемый за счет тепла горячего газа из газотурбинного двигателя, емкости (баки) для топлива, которые выполнены криогенными с термоизолированной конструкцией (тепловой изоляцией) для хранения сжиженного газа на борту локомотива внутри кузова либо на крыше локомотива, трубопровод топлива (RU, патент №225105 С1, кл. В61С 11/06, 2005 г.).
Недостатками известного локомотива являются:
- невысокая секционная мощность, связанная с размещением на газотурбовозе газотурбинного двигателя силового блока и емкостей (баков) для топлива;
- повышенная взрывоопасность, так как емкости для топлива и газотурбинный двигатель не отделены от кабины управления;
- наличие нескольких емкостей топлива, расположенных внутри кузова либо на крыше локомотива, в разных местах не обеспечивает равномерную осевую нагрузку колесных пар газотурбовоза.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности газотурбовоза за счет улучшения экономических и экологических показателей, снижения металлоемкости, повышение тяговых свойств, а также повышение уровня безопасности и защищенности емкости для хранения топлива и силового блока локомотива в случае нештатных ситуаций.
Указанный технический результат достигается тем, что в двухсекционном газотурбовозе, содержащем две тяговые секции, которые снабжены кузовами с рамой и кабиной управления, тележками с обмоторенными колесными парами, силовой блок, включающий газотурбинный двигатель, приводящий во вращение тяговый и вспомогательный генераторы, блок воздухоподготовки газотурбинного двигателя и емкость для хранения сжиженного криогенного газового топлива для газотурбинного двигателя, вспомогательный дизель-генератор, вспомогательное оборудование, топливный трубопровод с межсекционным соединением, силовой блок размещен в кузове одной тяговой секции, а емкость для хранения сжиженного криогенного газового топлива размещена в другой тяговой секции и установлена на раме в кузове так, что вертикальная проекция центра тяжести этой емкости совмещена с центром тяжести остальной массы секции, причем емкость для хранения сжиженного криогенного газового топлива и силовой блок отделены от соответствующих кабин управления и задних стенок кузовов секций изолированными и запирающимися от них при работе газотурбинного двигателя отсеками с размещенными в них вспомогательным оборудованием и вспомогательным дизель-генератором для повышения технической безопасности.
Кроме того, емкость для хранения сжиженного криогенного газового топлива выполнена в виде криогенной цистерны с максимальным заполнением объема кузова секции, а топливные трубопроводы секций выполнены криогенными для передачи криогенного топлива из емкости для хранения сжиженного криогенного газового топлива в одной секции в газотурбинный двигатель, размещенный в другой секции, и соединены между собой гибким межсекционным соединением, расположенным в зоне минимальных взаимных перемещений двух секций. Внутренняя полость емкости для хранения сжиженного газового топлива соединена с криогенным топливным трубопроводом непосредственно через насос для подачи сжиженного газа или через промежуточную аккумулирующую екость с теплоизолированными стенками, устанавливаемую на этой же секции насосом подачи сжиженного газа, патрубки выхода воздуха из охлаждаемых полостей электромашин силового блока газотурбовоза соединены с крышевым блоком воздухоподготовки газотурбинного двигателя для исключения обледенения направляющего аппарата газотурбинного двигателя в зимний период.
На фиг.1 схематично изображен общий вид первой секции газотурбовоза, вид сбоку.
На фиг.2 схематично изображен общий вид второй секции газотурбовоза, вид сбоку.
Газотурбовоз двухсекционный содержит две тяговые секции 1 и 2 (фиг.1, 2), которые снабжены кузовами 3 с рамами 4 и кабинами управления 5, размещенными на противолежащих торцах газотурбовоза. Рамы 4 секций 1 и 2 установлены на тележки 6 с обмоторенными колесными парами 7 тяговыми электродвигателями 8.
В кузове 3 секции 1 размещены силовой блок 9, включающий газотурбинный двигатель (ГТД) 10, приводящий во вращение тяговый 11 и вспомогательный 12 генераторы, крышевой блок воздухоподготовки 13 ГТД 10.
В секции 1 установлено вспомогательное оборудование 14 газотурбовоза: выпрямительные установки 15, тормозной компрессорный агрегат 16, центральная система воздухоснабжения электромашин с вентилятором 17 воздухоснабжения. Силовой блок 9 для повышения технической безопасности отделен от кабины управления 5 и задней стенки 18 кузова секции 1 изолированными и запирающимися от него при работе ГТД 10 отсеками 19, 20 с размещенным в них вспомогательным оборудованием 14.
Секция 1 снабжена также аккумуляторной батареей 21, питающей электростартер 22 при запуске ГТД 10. Патрубки 23 выхода воздуха из охлаждаемых полостей электромашин силового блока 9 газотурбовоза соединены с крышевым блоком воздухоподготовки 13 ГТД 10 для исключения обледенения направляющего аппарата ГТД 10 в зимний период. К ГТД 10 в секции 1 проложен топливный трубопровод 24.
В секции 2 размещены емкость 25 для хранения сжиженного криогенного газового топлива для ГТД 10, другое вспомогательное оборудование 26 газотурбовоза: вспомогательный дизель-генератор 27 с баком 28 дизельного топлива, вентилятор 29 воздухоснабжения тяговых электродвигателей 8.
Емкость 25 для хранения сжиженного криогенного газового топлива выполнена в виде криогенной цистерны с теплоизолированными стенками и герметизированной внутренней полостью, с максимальным заполнением объема кузова 3 секции 2 и установлена на раме 4 в кузове 3 секции 2 так, что вертикальная проекция центра тяжести этой емкости совмещена с центром тяжести остальной массы секции 2.
Емкость 25 для хранения сжиженного криогенного газового топлива для повышения технической безопасности отделена от кабины управления 5 и задней стенки 30 кузова 3 секции 2 изолированными и запирающимися от нее при работе ГТД 10 отсеками 31 и 32 с размещенным в них вспомогательным оборудованием 26. Так, например, в отсеке 31 между емкостью 25 и кабиной управления 5 размещен вентилятор 29 воздухоснабжения тяговых электродвигателей 8, а в отсеке 32 между емкостью 25 и задней стенкой 30 кузова 3 размещен вспомогательный дизель-генератор 27. Внутренняя полость емкости 25 для хранения сжиженного криогенного газового топлива соединена с топливным трубопроводом 33 секции 2 непосредственно через насос 34 подачи сжиженного газа, или через промежуточную аккумулирующую емкость 35 с теплоизолированными стенками, установленную на этой же секции вместе с насосом 34 подачи сжиженного газа.
Топливные трубопроводы 24 и 33 секций 1 и 2 выполнены криогенными для передачи сжиженного криогенного газового топлива из емкости 25 для хранения сжиженного криогенного газового топлива в секции 2 в ГТД 10, размещенный в секции 1, и соединены между собой гибким межсекционным соединением 36, расположенным в зоне минимальных взаимных перемещений двух этих секций.
Газотурбовоз работает следующим образом.
Емкость 25 заполняют сжиженным газовым топливом. Сжиженное газовое топливо из емкости 25 подают непосредственно насосом 34 или через промежуточную аккумулирующую емкость 35 по топливному трубопроводу 33, межсекционному соединению 36 в секцию 1 и по топливному трубопроводу 24 к ГТД 10 силового блока 9. ГТД 10 запускают электростартером 22 от аккумуляторной батареи 21. ГТД 10 приводит во вращение тяговый генератор 11, от которого питают через выпрямительные установки 15 тяговые электродвигатели 8, и вспомогательный генератор 12.
Размещение силового блока 9 и емкости 25 в различных тяговых секциях 1 и 2 газотурбовоза позволит выполнить емкость 25 достаточного объема для продолжительной работы газотурбовоза. Кроме этого такое размещение позволяет повысить техническую безопасность газотурбовоза за счет изолированных и запирающихся от блока 9 и емкости 25 при работе ГТД 10 отсеков 19, 20, 31 и 32 с размещенными в них вспомогательным оборудованием 14, 26 и вспомогательным дизель-генератором 27. При этом емкость 25 установлена на раме 4 в кузове 3 так, что вертикальная проекция центра тяжести этой емкости совмещена с центром тяжести остальной массы секции 2, что обеспечивает сохранение общего центра тяжести секции 2 при расходе сжиженного газового топлива и постоянно сохраняет равномерные осевые нагрузки на колесные пары 7.
Благодаря выполнению емкости 25 сжиженного газового топлива в виде криогенной цистерны с теплоизолированными стенками и герметизированной внутренней полостью обеспечивается хранение криогенного топлива без доступа тепла из окружающей среды и минимальная металлоемкость.
Гибкое межсекционное соединение 36 расположено в зоне минимальных взаимных перемещений секций 1 и 2, что повышает надежность работы этого соединения. Внутренняя полость емкости 25 для хранения сжиженного криогенного газового топлива может быть соединена с насосом 34 для подачи сжиженного газа через промежуточную аккумулирующую емкость 35, что позволит повысить устойчивость работы ГТД 10.
Соединение патрубков 23 выхода воздуха, охлаждающего электрические машины силового блока 9 газотурбовоза, с входом воздуха в крышевой блок воздухоподготовки 13 выполнено для исключения обледенения направляющего аппарата ГТД 10 при работе в зимний период.