СИСТЕМА ПОДАЧИ КРИОГЕННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ
CRYOGENIC FUEL SUPPLY SYSTEM FOR ENGINE FEED

Изобретение относится к двигателям железнодорожного транспорта, в частности к двигателям газотурбовозов и тепловозов, и касается системы подачи криогенного топлива (сжиженного природного газа, сжиженного водорода) к газотурбинному или поршневому двигателям.
Известна система подачи криогенного топлива в энергетическую установку, содержащая топливной бак, подкачивающий насос, теплообменник-газификатор, адиабатное парогенерирующее устройство, сепаратор, компрессор, отсечной клапан и энергетическую установку (RU патент №2347934 C1, класс F02M 21/02, опубл. 27.02.2009).
Недостаток данной системы состоит в том, что компрессор, дожимающий газ до нужного давления, необходимое для обеспечения нормальной работы энергетической установки имеет большие габариты и требует приводной установки большой мощности, в связи с большим расходом топливного газа, что снижает эффективность энергетической установки.
Известна система подачи криогенного топлива в газотурбинный двигатель самолета, содержащая криогенный бак с расходным отсеком внутри, внутрибаковыми электроприводными центробежными насосами и струйного насоса для заполнения расходного отсека.
Недостатком этой системы является сложная конструкция криогенного бака с встроенным расходным баком, струйным и центробежным насосами и необходимость работы на переохлажденной жидкости, что приводит к дополнительным потерям продукта.
Такая схема приводит к длинным топливным трубопроводам с криогенным топливом, что увеличивает время захолаживания системы и приводит к потерям криогенного топлива. (Андреев В., Борисов В., Климов В., Малышев В., Орлов В. «Внимание: Газы. Криогенное топливо для авиации.» Московский рабочий. 2001 г., стр.130. 131, 132).
Известна система подачи криогенного топлива в газотурбинный двигатель газотурбовоза ГТ 1, принятая за прототип, содержащая криогенный резервуар (емкость), для хранения сжиженного криогенного топлива (газа), соединенный через центробежный криогенный насос, клапан управления, гибкий криогенный трубопровод между бустерной и тяговой секциями газотурбовоза, топливный фильтр, регулируемый центробежный насос, дроссельный и отсечный клапаны, масляный теплообменник, газовый теплообменник, распределитель топлива с газовыми форсунками камеры сгорания газотурбинного двигателя. Кроме этого, система содержит обратный трубопровод для захолаживания всех агрегатов системы и сброса избытка криогенного топлива, подсоединенный после дроссельного клапана через второй гибкий трубопровод между секциями газотурбовоза к криогенному резервуару, и установлена система поддержания давления в криогенной емкости вместе с испарителем.
Недостатком этой системы является применение центробежных насосов вне криогенной емкости, так как для обеспечения бескавитационной работы центробежного насоса требуется обеспечить переохлаждение жидкости и не менее 1 метра от оси ротора центробежного насоса до уровня криогенной жидкости в криогенной емкости, что не позволяет полностью выработать криогенное топливо. Такая система приводит к длинным топливным трубопроводам с криогенным топливом, что увеличивает время захолаживания системы и приводит к потерям криогенного топлива. (Коссов B.C., Руденко В.Ф., Нестеров Э.И. «Первый в мире газотурбовоз, работающий на сжиженном природном газе.» Ж-л «АвтоГазКомплекс» №3(45) 2009 г., стр.35, 36, рис.9).
Техническим результатам изобретения является повышение надежности системы при использовании криогенного топлива, исключение потерь криогенного топлива на переохлаждение, уменьшение длины трубопроводов, подвергаемых захолаживанию, повышение эффективности силовой установки.
Технический результат достигается тем, что в систему введены: регулируемый объемный (к примеру, поршневой) криогенный насос повышенного давления, работающей на кипящей жидкости, минимальной длины трубопроводы, подлежащие захолаживанию, газовый ресивер, служащий буфером при изменении нагрузки двигателя, смеситель газовый для обеспечения температуры газа на входе в камеру сгорания в допустимых пределах, управляемый дозатор газа для тонкого регулирования подачи газа в камеру сгорания двигателя, причем криогенная емкость соединена с газовыми форсунками двигателя через регулируемый объемный криогенный насос повышенного давления, масляный теплообменник, газовый теплообменник, смеситель газовый, газовый ресивер, топливный фильтр, управляемый дозатор газа, параллельно масляному и газовому теплообменникам к входам смесителя газового и масляного теплообменника подсоединен управляемый дроссель, обратный трубопровод подсоединен к регулируемому объемному криогенному насосу повышенного давления и к криогенной емкости, выход регулируемого объемного криогенного насоса повышенного давления соединен с криогенной емкостью дополнительным трубопроводом с управляемым клапаном для сброса избытка криогенного топлива, между криогенной емкостью и выходом топливного фильтра установлен дополнительный трубопровод с управляемым клапаном для обеспечения постоянства давления в криогенной емкости, в результате убрана система поддержания давления в криогенной емкости вместе с испарителем
На чертеже представлена функциональная схема предполагаемой системы.
Система подачи криогенного топлива для питания двигателя содержит криогенную емкость 1 для хранения сжиженного криогенного топлива (газа), соединенную через управляемый клапан 2, регулируемый объемный криогенный насос повышенного давления 3, управляемый клапан 4, масляный теплообменник 5, газовый теплообменник 6, смеситель газовый 7, газовый ресивер 8, топливный фильтр 9, управляемый дозатор газа 10, газовые форсунки 11 двигателя 12.
Объемный криогенный насос повышенного давления 3 установлен рядом с криогенной емкостью 1 и обеспечивает подачу и регулировку топлива в двигатель 12. Управляемый дозатор газа 10 обеспечивает постоянство частоты вращения выходного вала (на чертеже не показано) двигателя 12. Параллельно масляному 5 и газовому 6, расположенному в выхлопном патрубке двигателя 12, теплообменникам к входам смесителя газового 7 и масляного 5 теплообменника, охлаждаемого криогенным топливом, присоединен управляемый дроссель 13 с трубопроводом 14. Управляемый дроссель 13 предназначен для частичного перепуска криогенного топлива в смеситель газовый 7, который обеспечивает поддержание заданной температуры топлива, что повышает надежность работы системы подачи топлива в двигатель 12.
Газовый ресивер 8 должен быть определенного объема, и служит для обеспечения необходимого запаса топлива при изменении режима работы двигателя 12, что повышает надежность его работы.
К регулируемому объемному насосу повышенного давления 3 и криогенной емкости 1 подсоединен обратный газопровод 15 с управляемым клапаном 16. За счет близкой установки регулируемого криогенного насоса повышенного давления 3 к криогенной емкости 1 обратный трубопровод криогенной жидкости 15 и трубопровод 17 от криогенной емкости 1 к криогенном насосу повышенного давления 3 выполнены минимальной длины, что важно для захолаживания регулируемого криогенного насоса повышенного давления 3 перед началом работы и для поддержки его в холодном состоянии при недлительных остановках двигателя, что сокращает время захолаживания регулируемого криогенного насоса повышенного давления 3 и трубопроводов 15 и 17 до минимума, что повышает эффективность работы системы за счет отсутствия потерь криогенного топлива на процесс захолаживания и сокращает время приведения двигателя в состояние готовности приема нагрузки.
Выход регулируемого объемного криогенного насоса повышенного давления 3 соединен с криогенной емкостью 1 дополнительным трубопроводом 18 с управляемым клапаном 19 для сброса избытка криогенного топлива. Кроме того, между криогенной емкостью 1 и выходом из топливного фильтра 9 установлен дополнительный трубопровод 20 с управляемым клапаном 21 для обеспечения необходимого давления в криогенной емкости 1 за счет перепуска части газа повышенного давления из выхода топливного фильтра 9 в криогенную емкость 1.
К криогенной емкости 1 также подсоединен дополнительный газопровод 22 с клапаном 23 для сброса избытка паров криогенного топлива при достижении давления его паров сверх допустимого при длительном отстое газотурбовоза или тепловоза.
Система снабжена блоком управления 24, с которого ведется управление регулируемым объемным криогенным насосом повышенного давления 3, управляемыми клапанами 2, 4, 16, 19, 21, управляемым дросселем 13, управляемым дозатором газа 10.
Система работает следующим образом:
Криогенное топливо из криогенной емкости 1 с помощью объемного криогенного насоса повышенного давления 3 поступает на захолаживание через вентиль 2 объемного криогенного насоса повышенного давления 3, трубопровод 15 и через вентиль 16 возвращается в криогенную емкость 1. Вентили 4, 19 и 21 при этом закрыты, вентили 2 и 16 открыты. После захолаживания объемного криогенного насоса повышенного давления 3, если давление в газовом ресивере 8 ниже давления в криогенной емкости 1, открывают клапан 21 до выравнивания давлений, затем открывают вентиль 4, закрывают вентиль 21 и запускают криогенный насос 3 и после достижения давления в ресивере 8 заданного уровня запускают двигатель 12, при этом тонкое дозирование подачи газа осуществляется управляемым дозатором газа 10 и полностью открывают управляемый дроссельный клапан 13. Частично газифицированное криогенное топливо поступает в камеру сгорания (на чертеже не показано) двигателя 12. После выхода двигателя 12 на режим холостого хода по сигналу с блока управления 24 частично закрывается управляемый дроссель 13 и частично открывается клапан 19, сбрасывая излишки топлива в криогенную емкость 1. При работе двигателя 12 на всех режимах с помощью клапана 13 поддерживается заданная температура газа на входе в камеру сгорания двигателя 12. При падении давления в криогенной емкости 1 ниже допустимого по сигналу с блока управления 24 открывается клапан 21. Количество криогенного топлива, поступающего в двигатель 12 в зависимости от мощности, меняется по сигналам с блока управления 24, изменяя обороты криогенного насоса повышенного давления 3, точное регулирование подачей, обеспечивающее точное поддержание частоты вращения выходного вала двигателя 12, осуществляется регулируемым дозатором газа 10.
При этом объемный криогенный насос повышенного давления 3 позволяет использовать один насос вместо двух центробежных насосов, используемых в прототипе, и обеспечить подачу и регулировку кипящего криогенного топлива из криогенной емкости 1 в двигатель 12.
Смеситель газовый 7 обеспечивает постоянство температуры газа на входе в двигатель 12 в допустимых пределах.
Газовый ресивер 8 служит буфером при изменении нагрузки двигателя 12, обеспечивает необходимый запас топлива.
Управляемый дроссель 13 обеспечивает частичный перепуск криогенного топлива в смеситель газовый 7.
Предлагаемая система обеспечивает стабильную работу двигателя на сжиженном природном газе.