ГАЗОТУРБОВОЗ
GAS TURBINE LOCOMOTIVE AND ITS POWER PLANT

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, конкретно к локомотивам, выполненным на базе газотурбинного двигателя (турбопоезда или газотурбовоза), который в качестве топлива использует сжиженный природный газ (СПГ).
Известен газотурбовоз 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 проходное 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 расширение функциональных возможностей.
Решение указанных задач достигнуто в газотурбовозе, содержащем корпус, имеющий крышу и боковые стенки, силовую установку в виде газотурбинного двигателя, а также вспомогательный дизель, соединенные кинематически, топливную систему, содержащую последовательно установленные теплообменники-охладители, теплообменник-утилизатор и топливомасляный теплообменник, тем, что газотурбовоз выполнен из двух секций, обе секции содержат воздухозаборник и соединены воздуховодами, в которых установлены отсечные клапаны, топливная система содержит дополнительно второй теплообменник-газификатор, установленный во второй секции газотурбовоза, а теплообменники-охладители установлены в воздухозаборниках двух секций таким образом, чтобы они не перекрывали воздушный тракт.
Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью.
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…4, 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 силовой установки газотурбовоза.
Газотурбовоз содержит две секции 1 и 2, при этом обе секции имеют воздухозаборники 3а и 3б, соединенные между собой воздуховодами 4, в которых установлены отсечные клапаны 5. Секции 1 и 2 соединены также по газовой линии гибкими подводящим и отводящим шлангами 6 и 7 соответственно, а по линии выхлопных газов - гибким шлангом 8. Секции 1 и 2 содержат корпус 9, состоящий из боковых стенок 10 и крыши 11. Корпус 9 установлен на платформе 12. На крыше второй секции 2 установлена выхлопная труба 13.
Внутри корпуса 9 установлены силовая установка (газотурбинный двигатель) 14, вспомогательный дизель 15, раздаточная коробка 16 и электрогенератор 17, соединенные между собой через управляемые муфты 18 соединительными валами 19. Тяговый (тяговые) привод(ы) 20 при помощи силовых кабелей 21 соединен с электрогенератором 17. Тяговый привод(ы) 20 электрическими кабелями 21 соединен с колесными парами 22. Платформа 12 обеих секций при помощи колесных пар 22 установлена на рельсах 23. Внутри воздухозаборников 3а и 3б установлены теплообменники-охладители 24.
Силовая установка 10 (фиг.3) содержит два турбокомпрессора (первый 25 и второй 26), выполненных по биротативной схеме, т.е. без сопловых и направляющих аппаратов, с возможностью вращения в противоположные стороны. Турбокомпрессор 25 содержит компрессор низкого давления 27 и турбину низкого давления 28. Компрессор низкого давления 27 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 29. Турбина низкого давления 28 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 30. Рабочие колеса компрессора 29 и рабочее колесо (колеса) турбины 30 соединены внутренним валом 31 первого турбокомпрессора 25. Второй турбокомпрессор 26 содержит компрессор высокого давления 32 и турбину высокого давления 33. Компрессор высокого давления 32 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 29, а турбина высокого давления 33 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 30. Рабочее колесо (колеса) компрессора 29 компрессора высокого давления 32 и рабочее колесо (колеса) турбины 30 турбины высокого давления 33 соединены внешним валом 34. Валы 31 и 34 установлены на подшипниках 35. Силовая установка 14 имеет внешний корпус 36, к которому крепится камера сгорания 37 с форсунками 38, к внешнему корпусу 36 также крепятся входное устройство при помощи ребер 39 и реактивное сопло 40 при помощи ребер 41. Перед камерой сгорания 37 установлен спрямляющий направляющий аппарат 42, а за камерой сгорания 37 - сопловой аппарат 43.
Топливная система силовой установки 14 содержит топливопровод 44, в котором установлен топливный насос 45, соединенный с приводом 46. На выходе из топливного насоса 45 трубопроводом 47 подсоединен первый теплообменник-утилизатор 48, который встроен в силовую установку 14 за турбиной низкого давления 28 для испарения сжиженного природного газа и утилизации тепла. К выходу из первого теплообменника-утилизатора 48 трубопроводом 49 подключен второй теплообменник-утилизатор 50, выход из которого трубопроводом 51 подключен к топливомасляному теплообменнику 52, выход из которого через ресивер 53 трубопроводом 54 подключен к форсункам 38 камеры сгорания 39.
При работе сначала запускают вспомогательный дизель 15, потом силовую установку 14 при помощи вспомогательного дизеля 15, выполняющего функцию стартера раскручивают один из турбокомпрессоров 25 или 26, запускают привод 46, который раскручивает топливный насос 45, топливо (сжиженный природный газ - СПГ) по топливопроводу 44 подается последовательно в теплообменники-охладители 24, первый теплообменник-утилизатор 48, во второй теплообменник-утилизатор 50, в топливомасляный теплообменник 52, рессивер 53 и в форсунки 38 камеры сгорания 37, где воспламеняется при помощи пирозапальника или электрозапальника (на фиг.1…4 не показан). Продукты сгорания проходят через турбину высокого давления 33 и турбину низкого давления 28. Мощность с турбин 33 и 28 передается на компрессоры 27 и 32, которые сжимают воздух, идущий в камеру сгорания 37. Часть мощности подается на тяговый привод 20 и на колесные пары 22 и создает тягу газотурбовоза (локомотива) 1. Воздушный поток, который попадает в воздухозаборники 3а и 3б, проходит вдоль теплообменников-охладителей 24, охлаждается, это улучшает работу силовой установки 14, потому что уменьшает температуру воздуха в компрессоре силовой установки и уменьшает мощность, которую компрессор отбирает от турбины. При обмерзании теплообменников-охладителей 24 образовавшийся лед или иней не перекрывает воздушный тракт, и хотя эффективность теплообменников-охладителей 24 уменьшается, воздух беспрепятственно поступает на вход в силовую установку 14. Ухудшение работы теплообменника-охладителя 24 компенсируется повышением теплосъема на трех других теплообменниках 47, 49 и 51. Второй теплообменник- утилизатор 50, установленный во второй секции 2 газотурбовоза, может иметь очень большие габариты и вес, т.к. вторая секция 2 не имеет силовой установки 14, но повышение КПД силовой установки на 18…22% за счет полной утилизации тепла (температура продуктов сгорания на выходе равна температуре окружающей среды) компенсирует затраты на постоянную перевозку «лишнего груза».
Применение изобретения позволило следующее.
1. Повысить надежность газотурбовоза (локомотива) за счет:
- связи при помощи трансмиссии двух двигательных установок (силовой и вспомогательного дизеля) и возможности продолжения работы при отказе одного из них,
- 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. Повысить КПД силовой установки 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 топливомасляном теплообменнике.
3. Обеспечить маневрирование газотурбовоза и его аварийную эвакуацию с применением вспомогательного дизеля.
4. Значительно улучшить тяговые и весовые характеристики и уменьшить осевой габарит силовой установки локомотива счет применения биротативной схемы.
5. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора 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 силовой установки, особенно осевые габариты, 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.