ГАЗОТУРБОВОЗ И СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ГАЗОТУРБОВОЗА
GAS TURBINE LOCOMOTIVE AND ITS POWER PLANT

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 патент РФ на изобретению №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, 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.
Известен газотурбовоз и его силовая установка по патенту РФ №2295467, прототип, который содержит корпус, силовую установку в виде газотурбинного двигателя. Силовая установка содержит входное устройство, компрессор, камеру сгорания и выхлопное устройство. Топливная система газотурбовоза содержит топливопровод, охладитель воздуха, установленный во входном устройстве и регенеративный теплообменник, установленный в выходном устройстве, соединенные между собой и с кольцевым коллектором и форсунками камеры сгорания.
Недостатком этого газотурбовоза и его силовой установки является то, что охладитель воздуха обмерзает по воздушной линии при эксплуатации при высокой влажности, особенно в осенний и весенний сезоны. Лед загромождает проходного сечение воздухозаборного устройства и мощность и КПД силовой установки снижаются. Вторым недостатком является впрыск горючего - СПГ на вход силовой установки. Несмотря на то, что предлагается впрыскивать до 50% от взрывоопасной концентрации, этот показатель является средним, что не исключает получения местной концентрации горючего более 100% от взрывоопасной. Это неминуемо приведет к пожару или взрыву силовой установки. Кроме того, корпус силовой установки в районе камеры сгорания будет иметь температуру более 100°С, что не безопасно для обслуживающего персонала.
Задачи создания изобретения: повышение надежности газотурбовоза и силовой установки и расширение ее функциональных возможностей.
Решение указанной задачи достигнуто в газотурбовозе, содержащем корпус, имеющий крышу и боковые стенки, силовую установка в виде газотурбинного двигателя, а также вспомогательный дизель, соединенные кинематически, топливную систему, содержащую последовательно установленные теплообменник-охладитель, теплообменник-утилизатор и топливо-масляный теплообменник, при этом газотурбовоз выполнен из двух секций, топливная система содержит дополнительно второй теплообменник-газификатор, установленный во второй секции газотурбовоза и соединенный по газовой линии и линии выхлопных газов посредством гибких шлангов, а теплообменник-охладитель установлен в воздухозаборнике первой секции таким образом, чтобы он не перекрывал воздушный тракт.
Решение указанной задачи достигнуто в силовой установке, содержащей турбокомпрессор с корпусом компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и реактивное сопло, 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, за турбиной установлен второй теплообменник-газификатор. Один вал основной силовой установки соединен через раздаточную коробку с вспомогательным дизелем. Концентрично валам турбокомпрессоров выполнен внешний корпус.
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 чертежах, 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 основной силовой установки газотурбовоза.
Газотурбовоз содержит две секции 1 и 2, соединенные по газовой линии гибкими шлангами 3 и 4, и по линии выхлопных газов - гибким шлангом 5. Секция 1 содержит корпус 6, состоящий из боковых стенок 7 и крыши 8.
Корпус 6 установлен на платформе 9. Внутри корпуса 6 установлены силовая установка (газотурбинный двигатель) 10, вспомогательный дизель 11, раздаточная коробка 12 и электрогенератор 13, соединенные между собой через управляемые муфты 14 соединительными валами 15. Тяговый (тяговые) привод(ы) 16 при помощи силовых кабелей 17 соединен с электрогенератором 13. Тяговый привод(ы) 16 механически соединен с колесными парами 18. В передней части корпуса 6 на боковых стенках 7 установлен воздухозаборник 19, а на крыше 8 второй секции 2 установлено выхлопное устройство 20. Платформа 9 обеих секций при помощи колесных пар 18 установлена на рельсах 21. Внутри воздухозаборника 19, выполненного на первой секции 1, установлены теплообменники охладители 22, в корпусе 2 - первый теплообменник-утилизатор 23, за силовой установкой внутри нее - второй теплообменник-утилизатор 24, и внутри корпуса 6 первой секции 1 - топливо-маслянный теплообменник 25, соединенные между собой по топливной линии последовательно.
Силовая установка 10 (фиг.3) содержит входное устройство 26 и два турбокомпрессора: первый - 27 и второй - 28, выполненных по биротативной схеме, т.е. без сопловых и направляющих аппаратов, с возможностью вращения в противоположные стороны. Турбокомпрессор 27, содержащий компрессор низкого давления 29 и турбину низкого давления 30. Компрессор низкого давления 29 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 31. Турбина низкого давления 30 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 32. Рабочие колеса компрессора 31 и рабочее колесо (колеса) турбины 32 соединены внутренним валом 33 первого турбокомпрессора 27. Второй турбокомпрессор 25 содержит компрессор высокого давления 34 и турбину высокого давления 35. Компрессор высокого давления 34 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 31, а турбина высокого давления 35 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 32. Рабочее колесо (колеса) компрессора 31 компрессора высокого давления 34 и рабочее колесо (колеса) 32 турбины высокого давления 35 соединены внешним валом 36. Валы 33 и 36 установлены на подшипниках 37. Двигатель имеет внешний корпус 38, к которому крепится камера сгорания 39 с форсунками 40, к внешнему корпусу 38 также крепятся входное устройство 26 при помощи ребер 41 и реактивное сопло 42 при помощи ребер 43. Перед камерой сгорания 39 установлен спрямляющий направляющий аппарат 44, а за камерой сгорания 39 - сопловой аппарат 45.
Топливная система силовой установки 10 содержит топливопровод 46, в котором установлен топливный насос 47, соединенный с приводом 48. На выходе из топливного насоса 47 установлен первый теплообменник-газификатор 49, который встроен в силовую установку 10 за турбиной низкого давления 30 для испарения сжиженного природного газа и утилизации тепла. К выходу из первого теплообменника-утилизатора 49 трубопроводом 50 подключен второй теплообменник-утилизатор 51, выход из которого трубопроводом 52 подключен к топливо-маслянному теплообменнику 55, выход из которого трубопроводом 54 подключен к форсункам 40 камеры сгорания 39.
При работе сначала запускают вспомогательный дизель 11, потом силовую установку 10 при помощи вспомогательного дизеля 11, выполняющего функцию стартера, раскручивают один из турбокомпрессоров 27 или 28, запускают привод 48, который раскручивает топливный насос 47, топливо (сжиженный природный газ - СПГ) по топливопроводу 46 подается в форсунки 40 камеры сгорания 39, где воспламеняется при помощи пирозапальника или электрозапальника (не показан). Продукты сгорания проходят через турбину высокого давления 34 и турбину низкого давления 35. Мощность с турбин 34 и 35 передается на компрессоры 26 и 34, которые сжимают воздух, идущий в камеру сгорания 39. Часть мощности подается на тяговый привод 16 и на колесные пары 18 и создают тягу газотурбовоза (локомотива) 1. Воздушный поток попадает в воздухозаборник 19, проходит вдоль теплообменников-охладителей 22, охлаждается это улучшает работу силовой установки 10, потому что уменьшает температуру воздуха в компрессоре силовой установки и уменьшает мощность, которую компрессор отбирает от турбины. При обмерзании теплообменников-охладителей 22, образовавшийся лед или иней не перекрывают воздушный тракт, и хотя эффективность теплообменников-охладителей 22 уменьшается, воздух беспрепятственно поступает на вход в силовую установку 10. Ухудшение работы теплообменника-охладителя 22 компенсируется повышением теплосъема на трех других теплообменниках 23, 24 и 25. Теплообменник-утилизатор 23 имеет очень большие габариты и вес, но повышение КПД силовой установки на 18…20% за счет утилизации тепла компенсирует затраты на постоянный перевозку «лишнего груза». Применение изобретения позволило:
1. Повысить надежность газотурбовоза (локомотива) за счет:
- связи при помощи трансмиссии двух двигательных установок силовой и вспомогательного дизеля и возможности продолжения полета при отказе одного из них,
- одновременного использования для создания тягового усилия колесных пар и воздушного винта,
- предотвращения отрицательных последствий обмерзания теплообменника-охладителя, установленного на входе в силовую установку, за счет его установки вдоль потока входящего воздуха,
- отказа от пожаро- и взрывоопасного впрыска топлива на вход в силовую установку.
2. Обеспечить маневрирование газотурбовоза и его аварийную эвакуацию с применением вспомогательного дизеля.
3. Повысить КПД силовой установик за счет более рациональной компоновки всех силовых установок, наличия двух каскадов компрессора и турбины у всех силовых установок и регенерации тепла в четырех теплообменниках: в теплообменнике-охладителе, в первом теплообменнике-утилизаторе, во втором теплообменнике-утилизаторе и в топливо-маслянном теплообменнике.
4. Особенно значительно улучшены тяговые и весовые характеристики и уменьшен осевой габарит основной силовой установки локомотива счет применения биротативной схемы.
5. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора основной силовой установки без раскручивания другого ротора.
6. Облегчить условия работы роторов основных силовых установок за счет возможности их взаимного проскальзывания одного из двух роторов и их работы на различающихся частотах вращения.
7. Уменьшить вес и габариты основной силовой установки, особенно осевой габарит, что важно для газотурбовоза при размещении силовой установки в ограниченном пространстве, за счет применения биротативной схемы.
8. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов основной силовой установки без применения редуктора.