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 (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.
Задача создания изобретения: повышение надежности и КПД газотурбовоза.
Решение указанных задач достигнуто в газотурбовозе, содержащем корпус, имеющий крышу и боковые стенки, основную силовую установку в виде двух газотурбинных двигателей, а также вспомогательный дизель, соединенные кинематически, отличающемся тем, что применено два газотурбинных двигателя, у которых за турбиной установлен двигатель Стиргинга, установленные, в свою очередь, в мотогондолах, прикрепленных к боковым стенкам корпуса газотурбовоза.
Решение указанных задач достигнуто в силовой установке газотурбовоза, выполненной в виде газотурбинного двигателя, содержащего первый и второй контуры, внешний и внутренний валы с вентилятором, установленным на внутреннем валу, и компрессор, установленный на внешнем валу, а также, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины, установленное на внешнем валу, и камеру сгорания между компрессором и турбиной, воздухозаборник, турбину и реактивное сопло, отличающегося тем, что за турбиной установлен двигатель Стерлинга, соединенный кинематически с внутренним валом и трубопроводами циркуляции теплоносителя с внешней камерой сгорания, перед камерой сгорания и во втором контуре установлены теплообменники, соединенные трубопроводами рециркуляции с ядерным реактором. Двигатель Стирлинга выполнен из двух групп цилиндров: рабочих и поршневых, при этом рабочие цилиндры размещены в первом контуре, а расширительные - во втором. К двигателю Стирлинга присоединены воздушные патрубки. Концы воздушных патрубков выходят в атмосферу. Концы воздушных патрубков подсоединены к воздухозаборнику, а также к выходу из первых ступеней компрессора.
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 чертежами, где:
на фиг.1 приведена схема газотурбовоза,
на фиг.2 - вид А-А,
на фиг.3 - приведен вид сбоку,
на фиг.4 - приведена схема силовой установки газотурбовоза,
на фиг.5 - приведена упрощенная схема силовой установки,
на фиг.6 - приведена схема двигателя Стирлинга,
на фиг.7 - приведен разрез Б-Б,
на фиг.8 - приведена схема одного из вариантов силовой установки газотурбовоза,
на фиг.9 - разрез Б-Б.
Газотурбовоз 1 содержит корпус 2, состоящий из боковых стенок 3 и крыши 4.
Корпус 2 установлен на платформе 5. Внутри корпуса 2 установлен вспомогательный дизель 6. К боковым стенкам 3 корпуса 2 прикреплены мотогондолы 7, в которых установлены силовые установки 8. Внутри корпуса 2 установлена внешняя камера сгорания 9. Силовые установки 8 выполнены в виде модернизированных газотурбинных двигателей и могут быть оборудованы реверсом 10. На крыше 4 установлен, по меньшей мере, один аэродинамический стабилизатор 11. Вспомогательный дизель 6 и силовые установки 8 соединены между собой через управляемую муфту 12 соединительным валом 13 и раздаточную коробку 14. Из раздаточной коробки 14 выходит силовой вал 15, другой конец которого соединен с электрогенератором 16, который кабелем 17 соединен с тяговым приводом (приводами) 18, который (которые) соединены с колесными парами 19. Колесные пары 19 установлены на рельсах 20 (фиг.2 и 3).
Силовая установка (фиг.4 и 5) содержит два контура: первый 21 и второй 22, соответственно два вала: внутренний 23 и наружный 24, т.е. силовая установка 8 представляет собой газотурбинный двигатель, который выполнен двухконтурным по двухвальной схеме. Кроме того, двигатель содержит воздухозаборник 25, вентилятор 26, компрессор 27, камеру сгорания 28 и турбину 29. Турбина 28 может содержать одну или несколько ступеней. Далее конструкция двигателя описывается на примере одноступенчатой турбины. Турбина 29 содержит рабочее колесо 30. На выходе из обоих контуров 21 и 22 выполнено реактивное сопло 31, внутри которого установлен смеситель 32 для перемешивания потоков первого и второго контуров.
Силовая установка 8 содержит систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 33, подключенным к входу в топливный насос 34, имеющий привод 35, топливопровод высокого давления 36, вход которого соединен с топливным насосом 34, а выход соединен с кольцевым коллектором 37, кольцевой коллектор 37 соединен с форсунками 38 камеры сгорания 28.
Компрессор 27 содержит ротор компрессора 39 с внешним валом 24. На внешнем валу 24 установлено рабочее колесо турбины 30.
Внутренний вал 23 проходит внутри внешнего вала 24 и установлен на опорах 40, внешний вал 24 установлен на опорах 41. Внутренний вал 23 соединен с одной стороны с вентилятором 26, а с другой - с двигателем Стирлига 42. К двигателю Стирлинга 42 подсоединен воздушный патрубок 43 (или несколько воздушных патрубков 43, другой конец которого выходит либо в атмосферу, либо в воздухозаборник 25, либо к первым ступеням компрессора 27, либо выходят во второй контур 22. Выхлопные патрубки 44 предназначены для выброса подогретого воздуха из двигателя Стирлинга 42 и выходят внутрь реактивного сопла 31 в полость «В».
Отличительной особенностью силовой установки является наличие двигателя Стирлинга 42 за турбиной 29, конкретно за рабочим колесом турбины 30.
Двигатель Стирлинга 42 состоит из двух частей: группы рабочих цилиндров 45 и группы вытеснительных цилиндров 46, которые соединены трубопроводами 47. Группу вытеснительных цилиндров 46 предпочтительно теплоизолировать от газового тракта газотурбинного двигателя ГТД. Число рабочих цилиндров 45 равно числу вытеснительных цилиндров 46. По объему вытеснительные цилиндры 46 больше, чем рабочие цилиндры 45.
Силовая установка содержит (фиг.3) внешнюю камеру сгорания 3 с теплообменником 48, соединенным трубопроводами рециркуляции теплоносителя соответственно подводящим 49 и отводящим 50 с двигателем Стирлинга 42, точнее с полостями нагрева «Г» рабочих цилиндров 45 (фиг.2). Между теплообменником 48 и подводящим трубопроводом рециркуляции теплоносителя 49 установлен насос теплоносителя 51 с приводом 52, а отводящий трубопровод рециркуляции теплоносителя 50 соединяет двигатель Стирлинга 42 с теплообменником 48 для отвода теплоносителя. В качестве теплоносителя предпочтительно использовать воду.
В одном из вариантов исполнения возможно подсоединение воздушного патрубка 43 (воздушных патрубков 43) к воздухозаборнику 25 или к первым ступеням компрессора 26 посредством одного или нескольких трубопроводов 53 (фиг.2).
Возможна установка расширительных цилиндров 46 во втором контуре 22 (фиг.5 и 6), в этом случае охлаждение производится воздухом второго контура, имеющим температуру около 100°С, что значительно ниже температуры теплоносителя ядерного реактора.
На фиг.6 и 7 приведена схема одного из вариантов исполнения двигателя Стирлинга 42, который содержит группу рабочих цилиндров 45, имеющих оребрение и заключенных в рабочие кожухи 55, имеющие наружное оребрение 56 с образованием между ними полости нагрева «Г», заполненной теплоносителем. Внутри каждого рабочего цилиндра 45 установлен рабочий поршень 57, который шатуном 58 соединен с внутренним валом двигателя 23. Между рабочим цилиндром 45 и рабочим поршнем 57 образуется рабочая полсть «Д», заполненная рабочим телом, например гелием.
Также двигатель Стирлинга 42 содержит группу вытеснительных цилиндров 46, которые могут быть установлены в кожухи охлаждения 59 или установлены без них во втором контуре 22 двигателя (фиг.5 и 6). Между кожухом охлаждения 59 и вытеснительным цилиндром 46 образуется полость охлаждения «Е». При установке вытеснительных цилиндров 46 во втором контуре 22 кожух охлаждения 59 не нужен.
Внутри каждого вытеснительного цилиндра 46 в полости «Ж» установлен вытеснительный поршень 60. Вытеснительный поршень 60 соединен шатуном 61 с внутренним валом двигателя 23. Трубопровод (ы) 47 соединяет (ют) полости «Д» и «Ж» для перетекания рабочего тела из рабочих цилиндров 45 в вытеснительные цилиндры 46. К полости «Г» подсоединены воздушные патрубки 43, а выхлопные трубы 44 соединяют полость «Г» с внутренней полостью «В» реактивного сопла 31 (фиг.1). К внешней камере сгорания 3 пристыкован дополнительный топливопровод 62, содержащий клапан-регулятор 63 (фиг.1), предназначенный для управления подачей топлива во внешнюю камеру сгорания 9. Система подачи воздуха во внешнюю камеру сгорания 3 показана на фиг.8, сжатый воздух предпочтительно отобрать от компрессора 27. Так как габариты внешней камеры сгорания 9 и теплообменника 48 не ограничены габаритами силовой установки, они могут быть спроектированы достаточно большими, чтобы получить КПД дополнительной камеры сгорания 9 и теплообменника 48 практически 100%. В то же время известно, что КПД камер сгорания современных авиационных ГТД не превышает 95%, а КПД теплообменника можно получить сколь угодно большим, но при условии значительного увеличения площади теплообмена, а следовательно, габаритов и веса теплообменника. В нашем случае применение внешней камеры сгорания 9 (установленной вне силовой установки 8) и теплообменника 48, установленного за ней в корпусе 2, позволяет использовать свободный объем внутри корпуса 2 газотурбовоза 1. Эти мероприятия дополнительно повысят КПД силовой установки на 5…7%.
При работе ГТД осуществляют его запуск стартером (стартер на фиг.1…4 не показан). Потом включают привод топливного насоса 35 и топливный насос 34 подает топливо в камеру сгорания 28, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1…7 не показано). В результате продукты сгорания проходят через рабочее колесо турбины 30 и раскручивают его и внешний вал 24, а также ротор компрессора 38. Через 5…7 мин тепло выхлопных газов и одновременно теплоноситель, подаваемый по подводящим трубопроводом рециркуляции теплоносителя 49, прогревает рабочие цилиндры 45 двигателя Стерлинга 42. Двигатель Стирлинга 42 приводится в действие и через внутренний вал 23 раскручивает вентилятор 26. Подогретое рабочее тело расширяется в расширительных цилиндрах 46. В результате двигатель запущен и готов к работе. Отключение двигателя производится в обратном порядке. Управление двигателем по режимам не отличается от управления традиционными ГТД.
При работе силовой установки газотурбовоза по его контурам температуры распределяются следующим образом:
0
Т - температура воздуха на входе в двигатель,
1
- Т -температура воздуха во втором контуре,
2
- Т - температура воздуха во втором контуре после вытеснительных цилиндров,
3
- Т - температура продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания,
4
- Т - температура продуктов сгорания на выходе из теплообменника,
5
- Т - температура продуктов сгорания на выходе из двигателя Стирлинга,
6
- Т - температура смеси на выходе из реактивного сопла,
7
- Т - температура продуктов сгорания на выходе из внешней камеры сгорания. Применение изобретения позволило следующее.
1. Повысить надежность локомотива за счет связи при помощи трансмиссии и раздаточной коробки двух типов двигательных установок: газотурбинных двигателей, скомбинированных с двигателями Стирлинга, и вспомогательного дизеля и возможности продолжения движения при отказе одного из них.
2. Обеспечить работу газотурбовоза в нормальном режиме при отказе одного газотурбинного двигателя, скомбинированного с двигателем Стирлинга, за счет того, что основная доля тяги будет по-прежнему создаваться колесными парами.
3. Обеспечить движение с небольшой скоростью при отказе двух силовых установок (газотурбинных двигателей, скомбинированных с двигателем Стирлинга) за счет использования вспомогательного дизеля (дизельного двигателя внутреннего сгорания), приводящего в действие электрогенератор через раздаточную коробку.
4. Обеспечить маневрирование газотурбовоза с применением вспомогательного дизеля.
5. Повысить КПД газотурбовоза за счет:
- более высокого КПД силовых установок (комбинированных двигателей) по сравнению с газотурбинными,
- более рациональной компоновки турбовинтовых двигателей, а именно наличия двух каскадов компрессора и турбины у силовых установок и регенерации тепла в теплообменнике, установленном за внешней камерой сгорания.
6. Улучшить весовые характеристики и уменьшить осевой габарит силовой установки за счет применения биротативной схемы.
7. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора газотурбинного двигателя без раскручивания другого ротора.
8. Облегчить условия работы роторов газотурбинных двигателей за счет возможности взаимного проскальзывания одного из двух роторов и их работы на различающихся частотах вращения.
9. Уменьшить вес и габариты газотурбинных двигателей за счет применения биротативной схемы роторов.
10. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов газотурбинных двигателей без применения редуктора.
11. Улучшить запуск и приемистость двигателя на переходных режимах за счет применения углеводородного топлива и тепловой энергии, вырабатываемой во внешней камере сгорания, имеющей относительно большие размеры и КПД.
12. Повысить надежность двигателя за счет того, что при отказе одной энергетической системы - камеры сгорания или внешней камеры сгорания - двигатель может продолжать работу, не снижая своей мощности или тяги, что особенно важно в авиации.
13. Повысить КПД газотурбинного двигателя за счет более рациональной компоновки двигателя, второго контура, дающего дополнительную тягу, отсутствия жесткой кинематической связи между двумя валами. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор и турбину, и двигатель Стирлинга с вентилятором.
14. Улучшить надежность силовой установки за счет уменьшения числа ступеней турбины до одной ступени и распределения большей части нагрузки на двигатель Стирлинга.
15. Создать благоприятные условия для работы вентилятора и двигателя Стирлинга, согласовав их оптимальные расчетные угловые скорости вращения вентилятора. Кроме того, применение двухвальной схемы двигателя позволит развязать механически рабочее колесо и ротор турбины и компрессора с одной стороны от вентилятора и двигателя Стирлинга, работа которых при запуске и на переходных режимах значительно различаются, например, по частоте вращения валов и по приемистоти.
16. Обеспечить оптимальную работу двигателя на переходных режимах, вследствие того, что незначительная составляющая мощности создается газотурбинным двигателем, а на крейсерском режиме вступает в работу двигатель Стирлинга, имеющий большой КПД. Это значительно уменьшит расход топлива, что имеет важное значение в связи с исчерпанием ресурсов углеводородного топлива, его удорожанием и отсутствием альтернативы этому виду топлива. Применение водорода, имеющего стоимость в сотни раз большую чем керосин, в ближайшие 100 лет нецелесообразно, а использование сжиженного природного газа СПГ, имеющего стоимость как минимум в 2 раза меньше, чем керосин или дизельное топливо, перспективно.
17. Облегчить условия работы вентилятора за счет его нежесткой связи с валом компрессора и возможности их взаимного проскальзывания и рассогласования оборотов ротора компрессора и ротора вентилятора.
18. Облегчить запуск и останов силовой установки за счет применения двухвальной схемы.
19. Уменьшить вес и габариты силовой установки и общий вес энергетической установки за счет применения дополнительной выносной камеры сгорания.
20. Снизить стоимость силовой установки за счет отказа от дорогостоящих материалов, используемых при изготовлении турбины, и решить проблему охлаждения турбины, во первых, снизив температуру перед ней, во-вторых, направив весь охлаждающий воздух на охлаждение только одной ступени турбины, вместо 4-х…5-ти ступеней, применяемых ране на мощных газотурбинных двигателях.