Атомный газотурбинный локомотив

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам. Атомный газотурбинный локомотив содержит реакторную 1 и по меньшей мере одну газотурбинную 5 секции. За компрессором газотурбинного двигателя дополнительно установлен воздухораспределитель с управляемой регулирующей заслонкой и соединен с выходом из компрессора. В корпусе воздухораспределителя выполнены осевой канал, который соединен с входом в камеру сгорания, и боковой канал. Теплообменник второго контура соединен с теплообменником первого контура трубопроводом с компенсационной емкостью и насосом линии прокачки теплоносителя и установлен в кузове турбогенераторной секции. Вход в теплообменник по линии воздуха соединен с боковым каналом корпуса воздухораспределителя, а выход из этого теплообменника по линии воздуха соединен с полостью камеры сгорания. Технический результат - упрощение конструкции и технического обслуживания, повышение надежности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано в составе грузовых и пассажирских поездов на территориях Севера и Сибири.

Известно устройство газотурбинного локомотива, в котором энергетическая установка включает в себя газотурбинный двигатель с входным и выходным устройствами, системами запуска, автоматического регулирования, подачи топлива из топливного бака в камеру сгорания газотурбинного двигателя, соединенного через редуктор с тяговым генератором, который через устройства и приборы линии электропитания соединен с тяговыми электродвигателями на ведущих осях тележек локомотива [Шнеэ Я.И. Газовые турбины. - М.: Машгиз, 1960. - 506 с. (на стр.496-503)].

К недостаткам известного устройства относятся небольшой объем топливного бака, большой километровый расход топлива, частая экипировка топливом, небольшая дальность пробега после экипировки.

Известно устройство атомного турбокомпрессорного локомотива, в котором энергетическая установка включает в себя атомный реактор в качестве источника тепловой энергии с жидкометаллическим теплоносителем, воздушный турбокомпрессорный двигатель, теплообменники, тяговый генератор, электрическую передачу, тяговые электродвигатели [Локомотивные энергетические установки: Учебник для вузов железнодорожного транспорта. / А.И.Володин, В.З.Зюбанов, В.Д.Кузьмич и др.; Под ред. А.И.Володина. М.: ИПК «Желдориздат», 2002. - 718 с. (на стр.7-8, 703-705)].

К недостаткам известного устройства относятся отсутствие камеры сгорания и невозможность привода тягового генератора за счет энергии сжигания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя, низкая скорость изменения тепловыделения и мощности атомного реактора, большие потери полного давления воздуха при большой длине трубопроводов, соединяющих воздушный турбокомпрессорный двигатель турбогенераторной секции и теплообменник второго контура реакторной секции, что ухудшает экономичность энергетической установки.

Данное решение выбрано авторами в качестве прототипа.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, упрощение технического обслуживания, повышение надежности и улучшение приемистости.

Технический результат достигается тем, что в атомном газотурбинном локомотиве, содержащем не менее двух отдельных секций, включающих в себя кузов с рамой, ходовую часть с тяговыми электродвигателями на осях тележек, тормозную систему, подключенную к источнику сжатого воздуха, из которых одна секция реакторная, содержащая атомный реактор с активной зоной, корпусом в качестве тяжелой защиты, отражателем, регулирующими барабанами с электроприводами, теплообменники первого контура, трубопроводы прокачки жидкометаллического теплоносителя с компенсационными емкостями и электроприводными циркуляционными насосами, элементы легкой зашиты, агрегаты системы физического пуска атомного реактора, агрегаты системы автоматического регулирования, и подключенная к теплообменникам второго контура по линиям теплоносителя теплообменников первого контура, а остальные секции турбогенераторные, содержащие тяговый генератор, электрическую передачу, не менее чем один газотурбинный двигатель, соединенный выводным валом с валом тягового генератора, включающий в себя компрессор, камеру сгорания, турбину и снабженный воздухозаборником с воздухоочистителем, выходным устройством, топливным баком, системой подачи топлива из бака в камеру сгорания, агрегатами системы запуска, агрегатами системы регулирования, за компрессором газотурбинного двигателя установлен воздухораспределитель с управляемой регулирующей заслонкой и соединен с выходом из компрессора, причем в корпусе воздухораспределителя выполнен осевой канал, который соединен с входом в камеру сгорания, и боковой канал, а теплообменник второго контура соединен с теплообменником первого контура трубопроводом с компенсационной емкостью и электроприводным циркуляционным насосом линии прокачки теплоносителя и установлен в кузове турбогенераторной секции, причем вход в этот теплообменник по линии воздуха соединен с боковым каналом, а выход из этого теплообменника по линии воздуха соединен с полостью камеры сгорания. Компенсационная емкость и электроприводной циркуляционный насос линии прокачки жидкометаллического теплоносителя через теплообменник второго контура установлены в кузове турбогенераторной секции. Величина теплоотвода от атомного реактора через теплообменник второго контура при прокачке теплоносителя определена делением величины тепловыделения атомного реактора на число турбогенераторных секций и число газотурбинных двигателей в одной турбогенераторной секции и умножением на коэффициент эффективности теплообменной системы.

Когда управляемая регулирующая заслонка перекрывает осевой канал в корпусе воздухораспределителя, весь воздух из компрессора проходит через теплообменник второго контура, а когда эта заслонка перекрывает боковой канал, весь воздух проходит через камеру сгорания. Указанные положения управляемой регулирующей заслонки обеспечивают возможность раздельной работы атомного реактора или камеры сгорания в качестве источников тепловой энергии. Это упрощает конструкцию, повышает надежность.

Промежуточные положения управляемой регулирующей заслонки обеспечивают два параллельных потока воздуха через теплообменник второго контура и через камеру сгорания. Расходы воздуха обоих потоков обратно пропорциональны гидравлическим сопротивлениям в них. В результате атомный реактор и камера сгорания могут работать параллельно на всех режимах с управляемым распределением выделяемой тепловой энергии, что повышает надежность и улучшает приемистость.

Размещение теплообменника второго контура в турбогенераторной секции уменьшает длину и сопротивление трубопроводов, соединяющих этот теплообменник с газотурбинным двигателем по линии воздуха. Это упрощает техническое обслуживание теплообменника и повышает экономичность энергетической установки.

Размещение компенсационной емкости и электроприводного циркуляционного насоса линии прокачки теплоносителя через теплообменник второго контура в кузове турбогенераторной секции упрощает техническое обслуживание, повышает надежность.

Определение величины теплоотвода от атомного реактора через теплообменник второго контура при прокачке теплоносителя делением величины тепловыделения атомного реактора на число турбогенераторных секций повышает надежность, улучшает приемистость благодаря рациональному выбору площади теплообмена.

На фиг.1 - общий вид варианта атомного газотурбинного локомотива с одной реакторной и двумя турбогенераторными секциями; на фиг.2 - схематический продольный разрез турбогенераторной секции; на фиг.3 - схематический продольный разрез энергетической установки реакторной секции; на фиг.4 - сечение А-А атомного реактора по фиг.3.

Атомный газотурбинный локомотив имеет реакторную секцию 1 с кузовом 2 на раме 3 и тележками 4 ходовой части, турбогенераторные секции 5 с кузовом 6 на раме 7 и тележками 8 ходовой части, тяговые электродвигатели 9, элементы 10, 11, 12, 13 тормозной системы, воздушные резервуары 14 с обратными клапанами 15, трубопроводами 16 подсоединения к источнику сжатого воздуха, трубопроводами 17 с рабочими клапанами 18 подсоединения к воздушной тормозной магистрали поезда, топливные баки 19 для углеводородного топлива (керосин, дизельное топливо и др.), воздухозаборники 20 с воздухоочистителем 21, выходные устройства 22, систему 23 отбора сжатого воздуха из компрессора.

Газотурбинный двигатель 24 турбогенераторной секции 5 на раме 25 с узлами крепления 26 к раме 7 содержит компрессор 27, воздухораспределитель 28 с корпусом 29, осевым каналом 30, боковым каналом 31, управляемой регулирующей заслонкой 32, камеру сгорания 33, турбину 34 с выводным валом 35, систему 36 подачи топлива из бака 19 в камеру сгорания 33, агрегаты 37 системы запуска, агрегаты 38 системы автоматического регулирования, опоры 39 и 40, трубопровод 41 соединения бокового канала 31 с входом в теплообменник 42 второго контура по линии воздуха, трубопровод 43 соединения выхода из теплообменника 42 по линии воздуха с полостью камеры сгорания 33, трубопровод 44 и трубопровод 45 прокачки жидкометаллического теплоносителя 46 (например, натрий или сплав натрия и калия с температурой плавления минус 11°С), подсоединенные к теплообменнику 42 второго контура. Линия прокачки теплоносителя 46 содержит компенсационную емкость 47 с электроприводом 48 циркуляционного насоса 49, трубопровод 50 выхода теплоносителя из теплообменников первого контура, металлические сильфоны 51 в линиях трубопроводов 44 и 50.

Тяговый генератор 52 соединен валом 53 с выводным валом 35 турбины 34 и по линии электропитания с аппаратурой 54 электрической передачи.

Энергетическая установка реакторной секции 1 содержит атомный реактор 55 с активной зоной, корпус 56 в качестве тяжелой защиты (например, сталь), отражатель 57, регулирующие барабаны 58 с электроприводами 59 и нанесенными на поверхности барабанов слоем 60 поглощающего материала и слоем 61 отражающего материала, элементы 62 легкой защиты (например гидриды легких металлов), агрегаты 63 системы физического пуска атомного реактора 55, агрегаты 64 системы автоматического регулирования, теплообменники 65 первого контура, трубопроводы 66 подсоединения теплообменников 65 к входу теплоносителя 46 в атомный реактор 55. Линии прокачки теплоносителя 46 через атомный реактор 55 и теплообменники 65 первого контура содержат трубопроводы 67, компенсационную емкость 68 с электроприводом 69 циркуляционного насоса 70, трубопроводы 71 подсоединения к выходу теплоносителя 46 из атомного реактора 55.

Движение атомного газотурбинного локомотива, работа энергетической установки реакторной и турбогенераторной секций на основных режимах, работа тормозной системы и останов локомотива происходят следующим образом.

При помощи агрегатов 63 системы физического пуска атомного реактора 55, теплообменников 65 первого контура, теплообменников 42 второго контура, линий прокачки жидкометаллического теплоносителя 46 по трубопроводам 44, 45, 50 через циркуляционные насосы 49, 70 с электроприводами 48, 69 соответственно, агрегатов 37 системы запуска газотурбинного двигателя 24, трубопроводов 41, 43 линии воздуха происходит вывод энергетической установки на режим холостого хода как минимальный установившийся, на котором обеспечиваются потребные потоки воздуха и энергии.

При работе на длительном установившемся режиме в диапазоне от режима холостого хода до номинального включительно с использованием атомного реактора 55 в качестве источника тепловой энергии воздух из атмосферы (фиг.1, фиг.2) поступает в воздухозаборник 20, очищается от пыли и мелких посторонних предметов воздухоочистителем 21 и направляется в компрессор 27, где повышается полное давление воздуха. Далее воздух проходит внутрь корпуса 29 воздухораспределителя 28.

Часть воздуха из компрессора 27 отбирается системой 23 отбора сжатого воздуха и по трубопроводам 16 через обратные клапаны 15 подается на зарядку воздушных резервуаров 14, откуда по трубопроводам 17 через рабочие клапаны 18 воздух при необходимости поступает в тормозную систему локомотива и воздушную магистраль поезда.

Управляемая регулирующая заслонка 32 устанавливается в положение, когда она перекрывает вход воздуха в осевой канал 30 корпуса 29 и в выключенную камеру сгорания 33, а через боковой канал 31 корпуса 29 воздух поступает по трубопроводу 41 в линию воздуха теплообменника 42 второго контура, где нагревается жидкометаллическим теплоносителем 46. Горячий теплоноситель 46 поступает в теплообменник 42 по трубопроводу 45 благодаря энергии циркуляционного насоса 49 с электроприводом 48. Причем на вход в насос 49 теплоноситель 46 поступает из теплообменника 65 первого контура по трубопроводу 50 с сильфоном 51, который обеспечивает выполнение требований к линии прокачки при прохождении тележками 4 и 8 кривых рельсового пути. В теплообменник 65 первого контура теплоноситель 46 подается циркуляционным насосом 70 с электроприводом 69, а вход в насос 70 соединен трубопроводом 71 с выходом из активной зоны атомного реактора 55, где теплоноситель 46 нагревается до заданной температуры благодаря тепловыделению при осуществлении управляемой цепной реакции деления тяжелых ядер ядерного горючего. После передачи теплоты воздуху в теплообменнике 42 второго контура теплоноситель 46 по трубопроводу 44 с сильфоном 51 возвращается (фиг.2) в теплообменник 65 первого контура (фиг.3) для нового цикла подогрева. Через теплообменник 65 насосом 70 по трубопроводу 66 прокачивается другая часть теплоносителя 46 на вход в активную зону атомного реактора 55 для нового цикла подогрева. Изменения объема теплоносителя 46 в линиях прокачки при работе энергетической установки обеспечиваются компенсационными емкостями 47 и 68.

Воздух, нагретый в теплообменнике 42 второго контура подается по трубопроводу 43 в полость камеры сгорания 33 и далее в турбину 34, где совершает работу расширения, а затем через выходное устройство 22 выбрасывается в атмосферу.

Возникающие в газотурбинном двигателе 24 осевые силы и крутящие моменты передаются на опоры 39 и 40, а через раму 25, узлы крепления 26 на раму 7 турбогенераторной секции 5. Полученный на выводном валу 35 двигателя 24 крутящий момент передается через вал 53 тяговому генератору 52, который вырабатывает электрический ток, передаваемый с помощью агрегатов 54 электрической передачи по линиям электропитания к тяговым электродвигателям 9, приводящим во вращение оси тележек 4 и 8. При взаимодействии колес этих тележек и рельсов создается сила тяги, благодаря которой осуществляется движение локомотива с определенной скоростью.

Поддержание заданного режима работы энергетической установки обеспечивается агрегатами 64 системы автоматического регулирования. При этом величина Q_АР тепловыделения атомного реактора 55 определяется реализуемой величиной коэффициента размножения нейтронов. Величину этого коэффициента или его значение, равное 1, устанавливает отражатель 57 и положение слоя 60 поглощающего материала, слоя 61 отражающего материала, нанесенных на поверхности регулирующих барабанов 58 с электроприводами 59, относительно центра активной зоны (фиг.3, фиг.4). Увеличение общей поверхности отражения, обращенной к центру активной зоны, увеличивает коэффициент размножения нейтронов, интенсифицирует цепную реакцию деления тяжелых ядер и повышает величину Q_АР тепловыделения. Величина Q_АР распределяется прокачкой теплоносителя 46 между теплообменниками 42 второго контура согласно выражению:

где Q_TOII - величина теплоотвода от атомного реактора через один теплообменник второго контура при прокачке теплоносителя;

Q_AP - величина тепловыделения атомного реактора;

n₁ - количество турбогенераторных секций локомотива;

n₂ - количество газотурбинных двигателей в одной турбогенераторной секции;

β - коэффициент эффективности теплообменной системы.

Это позволяет рационально определить площадь теплопередающей поверхности теплообменников 42 второго контура и выбрать размер газотурбинного двигателя 24.

Изменение величины Q_AP и изменение режима работы энергетической установки выполняется соответствующим поворотом регулирующих барабанов 58.

Процесс деления тяжелых ядер в активной зоне сопровождается испусканием проникающего ионизирующего излучения в виде потока нейтронов и γ-квантов. Заметная часть энергии, освободившейся при делении тяжелых ядер, уносится этим проникающим излучением за пределы активной зоны. Отсюда возникает необходимость применения биологической защиты, обеспечивающей радиационную безопасность работающего атомного реактора для персонала и оборудования. Эту функцию выполняет корпус 56 из металла (например, сталь) в качестве тяжелой защиты и элементы 62 легкой защиты (например, гидриды легких металлов).

Для торможения локомотива сжатым воздухом тормозной системы приводятся в действие элементы 10, 11, 12, 13 тормозной системы. При взаимодействии элементов 11 (тормозные колодки) с колесами тележек 4 и 8 возникает тормозная сила, приводящая к остановке локомотива.

В этом случае режим работы атомного реактора 55 должен быть уменьшен до величины остаточного тепловыделения.

Для этого регулирующие барабаны 58 поворачивается так, чтобы слои 60 поглощающего материала (фиг.4) были обращены к центру активной зоны. Коэффициент размножения нейтронов становится меньше 1,0 и тепловыделение уменьшается до уровня остаточного. Снятие остаточного тепловыделения или «расхолаживание» атомного реактора 55 производится продувкой воздушной линии теплообменника 42 второго контура воздухом из компрессора 27, поступающим по трубопроводу 41 и сбрасываемым по трубопроводу 43 в камеру сгорания 33. Управляемая регулирующая заслонка 32 занимает промежуточное положение, и часть воздуха из компрессора 27 через осевое окно 30 корпуса 29 воздухораспределителя 28 поступает во включенную камеру сгорания 33. Топливо в камеру сгорания 33 подается системой подачи 36 из бака 19. Параллельная работа атомного реактора 55 и камеры сгорания 33 приводит к образованию смеси воздуха и продуктов сгорания топлива в воздухе, которая поступает в турбину 34, приводящую во вращение компрессор 27 и тяговый генератор 52, а затем через выходное устройство 22 выбрасывается в атмосферу. Увеличение расхода топлива, подаваемого из бака 19 системой 36 подачи топлива в камеру сгорания 33, увеличивает режим работы газотурбинного двигателя 24 до номинального режима работы тягового генератора 52, что обеспечивает движение локомотива. При этом сохраняется режим «расхолаживания» атомного реактора 55, обеспечивается высокая приемистость газотурбинного двигателя и нормальная работа элементов тормозной системы.

Работа энергетической установки с использованием на длительном установившемся режиме только камеры сгорания в качестве источника тепловой энергии может происходить только до физического пуска атомного реактора и его работы на длительном установившемся режиме. В этом случае управляемая регулирующая заслонка 32 перекрывает боковое окно 31 корпуса 29 воздухораспределителя 28, и весь воздух из компрессора 27 поступает в камеру сгорания 33. Воздушная полость (линия) теплообменника 42 второго контура защищена от попадания в нее горячих продуктов сгорания топлива вторичным воздухом камеры сгорания 33, который охлаждает ее элементы. Продукты сгорания топлива поступают в турбину 34, которая приводит во вращение компрессор 27 и тяговый генератор 52, и выбрасываются затем в атмосферу через выходное устройство 22.

В таблице представлены результаты расчетно-теоретического исследования энергетических установок атомного газотурбинного локомотива. Приняты следующие основные допущения и предположения: учтены реальные значения КПД узлов газотурбинного двигателя, учтено изменение удельной теплоемкости воздуха и продуктов сгорания углеводородного топлива в воздухе по температуре, значение термического КПД установки является максимальным для указанных в таблице значений параметров термодинамического цикла газотурбинного двигателя, величина удельного объемного тепловыделения в активной зоне атомного реактора принята равной 700000 кВт/м³, толщина легкой защиты принята равной 1,0 м, толщина отражателя принята равной 0,2 м, толщина корпуса атомного реактора принята равной 0,05 м.

Таблица
Параметры термодинамически оптимизированных энергетических установок атомного газотурбинного локомотива
№ п/п	Параметры	Варианты энергетической установки
1	2	3	4	5	6
1	Температура атмосферного воздуха, °С	+15
2	Давление атмосферного воздуха, кгс/см2	1,0332
3	Суммарная электрическая мощность тяговых генераторов, кВт	6000	11400	6000	11400	6000	11400
4	Температура теплоносителя на входе в теплообменник второго конт., °С	650	650	700	700	750	750
5	Температура теплоносителя на выходе из теплообменника второго конт, °С	358	358	377	377	395	395
6	Температура теплоносителя на входе в теплообменник первого конт., °С	700	700	750	750	800	800
7	Температура теплоносителя на выходе из теплообменника первого конт., °С	408	408	427	427	445	445
8	Температура воздуха на входе в турбину, °С	600 (873)	650 (923)	700 (973)
9	Оптимальная степень повышения давления в компрессоре	9	10	11
10	Термический КПД установки, %	21,1	23,6	25,9
11	Тепловая мощность атомного реактора, кВт	28436	54028	25424	48305	23166	44015
12	Температура воздуха за компрессором, К	574,3	593	610,5
13	Тепловыделение атомного реактора, ккал/с	6792	12904	6072	11537	5533	10513
14	Расход воздуха через газотурбинные двигатели (1 дв* 2 секц. = 2 дв), кг/с	44,15	83,88	35,38	67,23	29,11	55,30
15	Диаметр активной зоны, м	0,372	0,462	0,359	0,445	0,348	0,431
16	Диаметр атомного реактора с биологической защитой, м	2,872	2,962	2,859	2,945	2,848	2,931
17	Предполагаемая кампания атомного реактора (время работы на номинальном режиме на одну зарядку ядерным горючим), сут.	250÷350

Применение атомного газотурбинного локомотива позволяет увеличить дальность безостановочного пробега, снизить затраты топлива, обеспечить своевременность и повысить надежность доставки грузов и пассажиров в регионы Севера и Сибири.

1. Атомный газотурбинный локомотив, содержащий не менее двух отдельных секций, включающих в себя кузов с рамой, ходовую часть с тяговыми электродвигателями на осях тележек, тормозную систему, подключенную к источнику сжатого воздуха, из которых одна секция реакторная, содержащая атомный реактор с активной зоной, корпусом в качестве тяжелой защиты, отражателем, регулирующими барабанами с электроприводами, теплообменники первого контура, трубопроводы с компенсационными емкостями и электроприводными циркуляционными насосами прокачки жидкометаллического теплоносителя, элементы легкой защиты, агрегаты системы автоматического регулирования, и подключенная к теплообменникам второго контура по линиям теплоносителя теплообменников первого контура, а остальные секции турбогенераторные, содержащие тяговый генератор, электрическую передачу, не менее чем один газотурбинный двигатель, соединенный выводным валом с валом тягового генератора, включающий в себя компрессор, камеру сгорания, турбину и снабженный воздухозаборником с воздухоочистителем, выходным устройством, топливным баком, системой подачи топлива из бака в камеру сгорания, агрегатами системы запуска, агрегатами системы автоматического регулирования, системой отбора воздуха из компрессора, отличающийся тем, что за компрессором газотурбинного двигателя дополнительно установлен воздухораспределитель с управляемой регулирующей заслонкой и соединен с выходом из компрессора, причем в корпусе воздухораспределителя выполнены осевой канал, который соединен с входом в камеру сгорания, и боковой канал, а теплообменник второго контура соединен с теплообменником первого контура трубопроводом с компенсационной емкостью и электроприводным циркуляционным насосом линии прокачки теплоносителя, и установлен в кузове турбогенераторной секции, причем вход в этот теплообменник по линии воздуха соединен с боковым каналом корпуса воздухораспределителя, а выход из этого теплообменника по линии воздуха соединен с полостью камеры сгорания.

2. Атомный газотурбинный локомотив по п.1, отличающийся тем, что компенсационная емкость и электроприводной циркуляционный насос линии прокачки теплоносителя через теплообменник второго контура установлены в кузове турбогенераторной секции.

3. Атомный газотурбинный локомотив по п.1. или 2, отличающийся тем, что величина теплоотвода от атомного реактора через один теплообменник второго контура определена выражением

где Q_TOII - величина теплоотвода от атомного реактора через один теплообменник второго контура при прокачке теплоносителя;

Q_AP - величина тепловыделения атомного реактора;

n₁ - количество турбогенераторных секций локомотива;

n₂ - количество газотурбинных двигателей в одной турбогенераторной секции;

β - коэффициент эффективности теплообменной системы.