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

Изобретение относится к энергетике и к железнодорожному транспорту и может применяться для выработки электроэнергии газоперекачивающих станций и в качестве силовой установки газотурбовоза.
Известна силовая установка по патенту РФ на изобретению №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.
Известна силовая установка по патенту РФ №212418, которая содержит газотурбинный двигатель, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель с силовой турбиной и обводной канал, который соединяет газовый тракт между турбинами и перед свободной турбиной.
Недостатками этой силовой установки являются плохие характеристики его запуска, конкретно большое время запуска. Это связано с тем, что газодинамическое сопротивление свободной турбины имеет значительную величину и мощности стартера недостаточно для одновременной раскрутки нескольких газотурбинных двигателей и свободной турбины, с которой отбирается мощность на трансмиссию.
Известна энергетическая газотурбинная силовая установка по пат РФ №2189477, которая содержит модули газогенератора, газотурбинного привода и выхлопа, соединенные между собой.
Недостаток: отсутствие мер обеспечения безопасности и эргономических свойств для обслуживающего персонала, а именно шумоглушения, теплоизоляции, противопожарной системы.
Известен газотурбовоз, содержащий газотурбинный двигатель (ГТД) с турбиной и выпускным патрубком, осевым компрессором, имеющим входной патрубок, камерами сгорания топлива, подогревателем топлива, топливной емкостью (Е.Т.Бармош. Газотурбовозы и турбопоезда. М.: Транспорт, 1978, с.264-272).
Недостатками известного газотурбовоза являются:
- низкий коэффициент полезного действия (КПД), связанный с затратой значительной мощности на сжатие воздуха в компрессоре;
- использование жидкого нефтяного топлива, имеющего высокую стоимость;
- выделение вредных веществ с отработавшими газами, связанное с химическим составом жидкого нефтяного топлива.
Известен газотурбовоз, содержащий газотурбинный двигатель (ГТД), работающий на жидком нефтяном топливе, которое хранится в емкости для топлива. Осевой компрессор ГТД засасывает наружный воздух через входной патрубок и сетчатые фильтры, компримирует его и направляет в камеры сгорания.
Жидкое нефтяное топливо подается по трубопроводу и сгорает в камерах сгорания ГТД. Отработавшие газы ГТД выбрасываются через выхлопной патрубок, в котором расположен подогреватель топлива (Статья «Газотурбинная тяга: история и перспективы». Ж. «Локомотив», 2005 г., №4, стр.37, 38).
Недостатками известного газотурбовоза являются:
- низкий ввиду затраты значительной мощности на сжатие воздуха в компрессоре КПД (~18%);
- использование жидкого нефтяного топлива, имеющего высокую стоимость и обуславливающего выделение вредных веществ с выпускными газами.
Известен реактивный газотурбинный локомотив (газотурбовоз), принятый за прототип, 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, бак (емкость) для топлива, который выполнен криогенным с термоизолированной конструкцией (тепловой изоляцией) для хранения сжиженного газа на борту локомотива (внутри кузова, либо на крыше локомотива), трубопровод топлива (RU, патент №2251505 C1, кл B61C 11/06, 2005 г.).
Недостатками известного локомотива являются:
- низкий ввиду затраты значительной мощности на сжатие воздуха в компрессоре КПД;
- недостаточный подогрев сжиженного газа в теплообменнике-газификаторе за счет тепла отработавших газов из турбинного двигателя.
Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента полезного действия КПД газотурбовоза, улучшение экологических показателей, уменьшение затрат на топливо.
Известен газотурбовоз и его силовая установка по патенту РФ №2295467, 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 проходное сечение воздухозаборного устройства и мощность, и КПД силовой установки снижаются. Вторым недостатком является впрыск горючего - СНГ 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 и достигнутый технический результат: повышение надежности силовой установки и предотвращение обмерзания охладителя воздуха.
Решение указанных задач достигнуто в газотурбовозе, содержащем силовую установку тем, что к компрессору подсоединен трубопровод отбора, в котором установлен управляемый клапан, на выходе которого установлен перфорированный коллектор, смонтированный в воздухозаборнике.
Решение указанных задач достигнуто за счет того, что энергетическая газотурбинная силовая установка, содержащая контейнер, в котором установлены последовательно газотурбинный двигатель, содержащий входное устройство, компрессор, камеру сгорания и турбину, газодинамически связанную с выходом из турбины, свободную турбину и электрогенератор, соединенный со свободной турбиной, отличающаяся тем, что на входе в газотурбинный двигатель и внутри контейнера установлены, по меньшей мере по одному кольцевому коллектору систем пожаротушения инертным газом, а вне контейнера установлена система тушения пожара водой. Энергетическая газотурбинная силовая установка содержит систему продувки контейнера воздухом, объединенную с системой пожаротушения контейнера. Контейнер облицован внутри или снаружи звуко- и теплоизолирующим материалом. Силовая установка выполнена на базе двухконтурного трехвального авиационного газотурбинного двигателя.
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…6, где:
- на фиг.1 приведена схема газотурбовоза,
- на фиг.2 приведен разрез А-А,
- на фиг.3 приведена первая схема силовой установки газотурбовоза,
- на фиг.4 - приведена схема охлаждения и пожаротушения,
- на фиг.5 и 6 приведена конструкция контейнера.
Газотурбовоз 1 содержит корпус 2 с боковыми стенками 3 и крышей 4. Внутри корпуса 2 установлена силовая установка 5, которая размещена в контейнере 6. Контейнер 6 закреплен на опорах 7 на платформе 8. Платформа 8 установлена на колесных парах 9, имеющих силовые приводы 10 (фиг.2), в качестве которых используют электродвигатели.
Колесные пары 9 установлены на рельсах 11. В верхней части корпуса 1 закреплен П-образный воздухозаборник 12 с воздушными фильтрами 13. На крыше 4 установлена выхлопная труба 15. В воздухозаборнике 12 установлен охладитель воздуха 16, а в выхлопном устройстве 15 установлен теплообменник-утилизатор 17.
Силовая установка 5 валом 18 соединена с электрогенератором 19. Полость контейнера 6 «В» соединена трубопроводом 20 с выхлопным устройством 15 для сброса воздуха, продувающего контейнер 6. Гибкий топливный трубопровод от криогенной емкости со сжиженным природным газом СПГ подходит к теплообменнику газификатору 22 и далее отходит по двум топливным магистралям, работающим параллельно. Первая топливная магистраль содержит трубопровод 23, вход которого соединен с теплообменником-газификатором 22, а выход - с ресивером 24, выход из ресивера 24 трубопроводом 25 соединен с кольцевым коллектором 26, который соединен с камерой сгорания 27, установленной между компрессором 28 и турбиной 29. Вторая топливная магистраль содержит трубопровод 30, который соединяет второй выход из теплообменника-газификатора 22 с регенеративным теплообменником 17, выход из регенеративного теплообменника 17 соединен трубопроводом 31 с теплообменником-охладителем 16, выход из которого соединен трубопроводом 32 с кольцевым коллектором 26. Силовая установка газотурбовоза 5 содержит систему предотвращения обмерзания охладителя воздуха, которая выполнена в виде трубопровода отбора сжатого воздуха 33, подсоединенного к выходу из компрессора 28, клапан 34 и перфорированный коллектор 35, установленный перед воздушными фильтрами 13.
Предложенная силовая установка 5 (фиг.1 и 3) выполнена в виде двухвального газотурбинного двигателя ГТД и содержит компрессор 28, камеру сгорания 27 и турбину 29, а также вал 18 и внешний вал 36.
Электрогенератор 19 (фиг.3) электрическими связями 37 через коммутатор 38 соединен с силовым приводом 10 колесных пар 9. На валу 18 установлен датчик частоты вращения 39, который электрическими связями 37 соединен с блоком управления 40.
Вспомогательный дизель 41 через вал 42 и управляемую муфту 43 соединен с внешним валом 36. Вспомогательный дизель 41 предназначен для запуска силовой установки 5 и для маневрирования газотурбовоза 1. К вспомогательному дизелю 41, конкретно к его выходному валу 44 через управляемую муфту 45 подключен вспомогательный электрогенератор 46, предназначенный для маневрирования газотурбовоза 1 и питания вспомогательных потребителей электроэнергии, когда энергетическая газотурбинная силовая установка не работает.
Силовая установка 5 имеет наружный корпус 47, температура которого может достигать 100…130°C, что небезопасно при обслуживании. Кроме того, на поверхности наружного корпуса 47 размещены агрегаты управления и регулирования, доступ к которым без крайней необходимости нежелателен. Также при транспортировке силовой установки с завода-изготовителя к заказчику эти агрегаты могут быть повреждены. Для устранения этих недостатков силовая установка установлена в контейнер 6. Для обслуживания агрегатов предусмотрены закрывающиеся люки 48. Силовая установка в контейнере 6 установлена на опорах 7.
Внутренняя полость «Б» контейнера 6 при помощи трубопровода 20 сообщается с выхлопным устройством 15.
Система подачи охлаждающего воздуха 49, содержит кольцевой коллектор отбора воздуха 50, установленный на корпусе 44 силовой установки 5, полость которого при помощи отверстий «Г» (фиг.4) сообщается с полостью за первой ступенью компрессора. На нем установлен клапан отбора 51, имеющий привод клапана 52, к выходу клапана отбора подсоединен кольцевой коллектор подачи воздуха 53. Кольцевой коллектор подачи воздуха 53 установлен в полости контейнера «Б». К теплообменнику газификатору 22 подсоединены трубки подвода и отвода масла, соответственно 54 и 55.
Контейнер 6 (фиг.5 и 6) предпочтительно выполнить из двух частей: верхней 56 и нижней 57 со стыком 58.
Силовая установка 5 работает следующим образом.
Для запуска силовой установки 5 электрический сигнал подается с блока управления 40 на вспомогательный дизель 41, выполняющий функцию стартера (фиг.1) и на топливный насос 9. Вспомогательный дизель 41 раскручивает ротор каскада компрессора высокого давления и турбину низкого давления 29. Мощность вспомогательного дизеля 41 тратится на раскрутку только одного из двух валов, а именно внешнего вала 36, это облегчает и ускоряет запуск. Раскручивается один ротор газотурбинного двигателя из двух.
Когда осуществится запуск газотурбинного двигателя ГТД 1, его обороты достигнут рабочих, что контролируют датчик частоты вращения 39, блок управления 40 подает сигнал на ограничение подачи топлива (топливный насос на фиг.1…6 не показан). Топливо - СПГ в жидкой фазе по гибкому трубопроводу 21 поступает в теплообменник-газикатор 23, где подогревается, потом топливо по трубопроводу 23 поступает в ресивер 24, из которого по трубопроводу 25 поступает в кольцевой коллектор 26 и далее в камеру сгорания 27, где воспламеняется, а продукты сгорания приводят во вращение турбину 29, которая через валы 18 и 36 вращает компрессор 28.
Далее с блока управления 40 подается сигнал на привод клапана 52, который открывает клапан отбора 51. Воздух через отверстия «Е» поступает внутрь контейнера в полость «В». Наружная поверхность контейнера будет иметь температуру не более 40°C, что обеспечит безопасность обслуживания.
При этом газотурбовоз 1 (локомотив) имеет возможность при движении использовать мощность ГТД 1 в диапазоне от 6 до 40 МВт, по сравнению с максимальной мощностью локомотивов, используемых в РФ, 1800 кВт, что позволит достичь скорости 500 км/час и более.
При обмерзании охладителя воздуха 16 включают антиобледенительную систему, для этого открывают управляемый клапан 35 и сжатый горячий воздух по трубопроводу отбора 33 подается в перфорированные коллектор 34, образовавшаяся ледяная корка на поверхности охладителя воздуха оттаивает. После этого антиобледенительная система отключается.
Применение изобретения позволило:
1. Обеспечить безопасность работы с установкой за счет:
- устранения системы впрыска горючего в силовую установку,
- охлаждения внешнего корпуса силовой установки,
- применения антиобледенительной системы охлаждающего теплообменника.
2. Облегчить (ускорить) запуск силовой установки энергетической газотурбинной транспортируемой силовой установки.
3. Повысить надежность силовой установки за счет предотвращения образования взрывоопасной смеси внутри силовой установки 5.
4. Улучшить экономичность установки за счет регенгерации тепла на входе и на выходе.
5. Облегчить сборку за счет модульной конструкции установки.
6. Создать условия для транспортировки.
7. Обеспечить ремонтопригодность установки.