ГАЗОТУРБОВОЗ И ОСНОВНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ГАЗОТУРБОВОЗА
GAS TURBINE LOCOMOTIVE AND PRINCIPAL POWER PLANT OF GAS TURBINE LOCOMOTIVE

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, конкретно к локомотивам, с силовой установкой, выполненной на базе газотурбинного двигателя, который в качестве топлива использует сжиженный природный газ.
Работы по созданию газотурбовоза проведены в СССР и за рубежом. Наиболее интенсивные работы по газотурбовозам впервые были развернуты во Франции и привели к созданию газотурбовоза.
Известен газотурбовоз с комбинированной силовой установкой, который содержит газотурбинный двигатель, дизель и электрический генератор, вал которого связан механически с силовой установкой (см. Е.Т.Бартош «Газотурбовозы и турбопоезда», М., «Транспорт», 1978, стр.227-230).
Задачи настоящего изобретения: повышение надежности газотурбовоза и увеличение вертикальной составляющей тяги.
Решение указанных задач достигнуто за счет того, что газотурбовоз содержит силовую установку, установленную вертикально в центральной части фюзеляжа и соединенную с тяговыми приводами при помощи трансмиссии, при этом основная силовая установка служит для создания вертикальной составляющей тяги, выполнена в виде биротативного газотурбинного двигателя.
В основной силовой установке содержится турбокомпрессор с корпусом, компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и реактивное сопло. Биротативный турбокомпрессор, два турбокомпрессора которого выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны и содержат валы с рабочими колесами компрессоров и рабочими колесами турбин. Основная силовая установка соединена при помощи трансмиссии с одним из турбокомпрессоров биротативного газотурбинного двигателя. Концентрично валам турбокомпрессоров выполнен внешний корпус. Реактивное сопло соединено с внешним корпусом при помощи ребер. Камера сгорания также прикреплена к внешнему корпусу.
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…3, где
на фиг.1 приведена схема газотурбовоза,
на фиг.2 - вид А-А,
на фиг.3 приведена схема основной силовой установки газотурбовоза.
Газотурбовоз 1 содержит корпус 2, состоящий из боковых стенок 3 и крышки 4.
Корпус 2 установлен на шасси 5. В центральной части корпуса 2 установлена основная силовая установка 6 и вспомогательный дизель 7, соединенные между собой через муфту 8 соединительным валом 9. Два воздухозаборника 10 выполнены в передней части боковых стенок корпуса 2, на крылышке 4 установлена выхлопная труба 11. Электрогенератор 12 соединен механически с основной силовой установкой 6. Электрическая часть электрогенератора 12 соединена с тяговыми приводами 13 колесных пар 14 при помощи кабелей 15. Электрогенератор 12 находится в воздухозаборнике 10, что улучает его охлаждение. Для более эффективного охлаждения электрогенератора на его поверхности следует выполнить оребрение. Кроме того, регенерация части тепла на входе в основную силовую установку повысит ее КПД на 3…5%. Шасси 5 при помощи колесных пар 14 установлено на рельсах 16.
Основная силовая установка 6 (фиг.2) содержит входное устройство 17 и два турбокомпрессора: первый - 18 и второй - 19, выполненных по биротативной схеме, т.е. без сопловых и направляющих аппаратов, с возможностью вращения в противоположные стороны. Турбокомпрессор 18 содержит компрессор низкого давления 20 и турбину низкого давления 21. Компрессор низкого давления 20 содержит по меньшей мере одно рабочее колесо компрессора 22. Турбина низкого давления 21 содержит по меньшей мере одно рабочее колесо турбины 23. Рабочие колеса компрессора 22 и рабочее колесо (колеса) турбины 23 соединены внутренним валом 24 первого турбокомпрессора 18. Второй турбокомпрессор 19 содержит компрессор высокого давления 25 и турбину высокого давления 26. Компрессор высокого давления 25 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 22, а турбина высокого давления 25 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 23. Рабочее колесо (колеса) 22 компрессора высокого давления 25 и рабочее колесо (колеса) 22 турбины высокого давления 26 соединены внешним валом 27. Валы 24 и 27 установлены на подшипниках 28. Двигатель имеет внешний корпус 29, к которому крепится камера сгорания 30 с форсунками 31, к внешнему корпусу 30 также крепятся входное устройство 17 при помощи ребер 32 и реактивное сопло 33 при помощи ребер 34. Перед камерой сгорания 30 установлен спрямляющий направляющий аппарат 35.
Топливная система основной силовой установки 6 содержит топливопровод 36, в котором установлен топливный насос 37, соединенный с приводом 38. Основная силовая установка 6 установлена вертикально в центре корпуса 2 газотурбовоза (локомотива) 1 (фиг.1 и 2).
При работе сначала запускают вспомогательный дизель 7, потом основную силовую установку 6 при помощи вспомогательного дизеля 7, выполняющего функцию стартера, раскручивают один из турбокомпрессоров 18 или 19, запускают привод 38, который раскручивает топливный насос 37, топливо (сжиженный природный газ - СПГ) по топливопроводу 36 подается в форсунки 31 камеры сгорания 30, где воспламеняется при помощи пирозапальника или электрозапальника (не показан). Продукты сгорания проходят через турбину высокого давления 26 и турбину низкого давления 21. Мощность с турбин 21 и 26 передается на компрессоры 20 и 25, которые сжимают воздух, идущий в камеру сгорания 30. Электрогенератор 12 вырабатывает электрический ток, который по кабелю 15 подается на тяговые приводы 13, колесные пары, оборудованные этими приводами, создают тягу газотурбовоза (локомотива) 1.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить надежность локомотива за счет связи при помощи трансмиссии двух двигательных установок: основной силовой и вспомогательного дизеля, и обеспечить возможность продолжения движения при отказе одной из них.
2. Обеспечить маневрирование газотурбовоза с применением вспомогательного дизеля.
3. 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 счет применения биротативной схемы.
4. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора основной силовой установки без раскручивания другого ротора.
5. Облегчить условия работы роторов основной силовой установки за счет отсутствия его механической связи с валами турбокомпрессоров и возможности их взаимного проскальзывания и работы на различающихся частотах вращения.
6. Уменьшить вес и габариты основной силовой установки, особенно осевой габарит, что важно для газотурбовоза при вертикальном расположении основной силовой установки за счет применения биротативной схемы.
7. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов основной силовой установки без применения редуктора.
8. Обеспечить эффективное расположение электрогенератора за счет его расположения в воздухозаборнике.