Газотурбовоз

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции локомотивов, в частности газотурбовозов. Газотурбовоз содержит газотурбинный двигатель, компрессор которого снабжен входным патрубком для подвода воздуха, камеры сгорания топлива, подогреватель топлива, емкость для топлива, трубопровод топлива. Емкость для топлива выполнена криогенной с тепловой изоляцией для хранения сжиженного горючего газа. Входной патрубок для подвода воздуха к компрессору выполнен в виде охладителя воздуха, причем вход в воздушную полость охладителя воздуха сообщен с атмосферой, выход воздуха сообщен со входом в проточную часть первой ступени компрессора. Газовая полость охладителя воздуха сообщена своим входом с трубопроводом сжиженного газа, подаваемого из установленной на секции-бустере криогенной емкости для топлива, а выходом сообщена с камерами сгорания топлива через подогреватель топлива сжиженного газа, обогреваемый за счет тепла отработавших газов газотурбинного двигателя или охлаждающих газотурбинный двигатель сред (вода, масло и т.д.). Технический результат заключается в экономии более 10% газового топлива за счет располагаемого отрицательного температурного потенциала сжиженного газа без дополнительных энергетических затрат при эксплуатации газотурбовоза. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции локомотивов, в частности газотурбовозов.

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 турбопоездах. М.: Транспорт, 1978, с.264-272).

Недостатками известного газотурбовоза являются:

- низкий коэффициент полезного действия (к.п.д.), 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 к.п.д. (˜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 С1, кл В 61 С 11/06, 2005 г.)

Недостатками известного локомотива являются:

- низкий ввиду затраты значительной мощности на сжатие воздуха в компрессоре к.п.д.;

- недостаточный подогрев сжиженного газа в теплообменнике-газификаторе за счет тепла отработавших газов из турбинного двигателя.

Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента полезного действия (к.п.д.) газотурбовоза, улучшение экологических показателей, уменьшение затрат на топливо.

Указанный технический результат достигается тем, что в газотурбовозе, содержащем газотурбинный двигатель, компрессор которого снабжен входным патрубком для подвода воздуха, камеры сгорания топлива, подогреватель топлива, емкость для топлива, которая выполнена криогенной с тепловой изоляцией для хранения сжиженного горючего газа, трубопровод топлива, входной патрубок для подвода воздуха к компрессору выполнен в виде охладителя воздуха, причем вход в воздушную полость охладителя воздуха сообщен с атмосферой, выход воздуха сообщен со входом в проточную часть первой ступени компрессора, газовая полость охладителя воздуха сообщена своим входом с трубопроводом сжиженного газа, подаваемого из емкости для топлива, а выходом сообщена через подогреватель топлива - сжиженного газа, обогреваемый за счет тепла отходящих газов газотурбинного двигателя или охлаждающих газотурбинный двигатель сред (вода, масло и т.д.) с камерами сгорания топлива.

Кроме этого, трубопровод сжиженного газа снабжен управляемым клапаном-распределителем потоков газа, направляющим через охладитель воздуха от 0 до 50%, а через подогреватель газа - от 100 до 50% общей массы газа, подаваемого в камеры сгорания ГТД, трубопровод сжиженного газа оборудован одним или несколькими управляемыми клапанами отбора газа, сообщенными с полостью воздуха, всасываемого компрессором, за охладителем воздуха и подающими газ во всасываемый воздух через распылители в количестве, не превышающем 50% нижнего концентрационного предела воспламенения газовоздушной смеси, один или несколько управляемых клапанов отбора газа из трубопровода сжиженного газа могут быть сообщены с полостью входа воздуха в последующие после первой ступени компрессора газотурбинного двигателя.

На чертеже схематически представлена конструкция газотурбовоза.

Газотурбовоз включает секцию 1, оборудованную газотурбинным двигателем (ГТД) 2 и секцию - бустер 3, на которой размещена емкость для топлива 4, которая выполнена криогенной с тепловой изоляцией для хранения сжиженного горючего газа, например метана, используемого в качестве топлива для ГТД2.

Входной патрубок секции 1 для подвода воздуха к компрессору 5 ГТД 2 выполнен в виде охладителя воздуха (теплообменника) 6, причем вход 7 в воздушную полость охладителя воздуха 6 сообщен с атмосферой, выход воздуха 8 сообщен с входом в проточную часть первой ступени компрессора 5; вход 9 в газовую полость охладителя воздуха 6 сообщен с трубопроводом 10 топлива (сжиженного газа) секции 1 с установленной на секции - бустере 3 криогенной емкостью для топлива 4, а выход 11 сообщен трубопроводом 12 с подогревателем топлива (сжиженного газа) 13 секции 1 газотурбовоза, для подогрева сжиженного газа за счет тепла отходящих от ГТД 2 отработавших газов или охлаждающих ГТД сред: вода, масло (на чертеже не показано), газовым ресивером 14 секции 1 и камерами сгорания топлива (газа) 15. На трубопроводе 10 сжиженного газа установлен управляемый клапан - распределитель потоков газа 16.

Клапан-распределитель 16 направляет в камеры сгорания 15 через охладитель воздуха 6, подогреватель топлива 13 и газовый ресивер 14 от 0 до 50%, а через подогреватель 13 и газовый ресивер 14 - от 100 до 50% общей массы газа, подаваемого в камеры сгорания 15 ГТД 2. Трубопровод 10 сжиженного газа оборудован одним или несколькими управляемыми газовыми клапанами отбора газа 17, сообщенными с полостью воздуха за охладителем воздуха 6 и подающими газ во всасываемый воздух через распылители 18 в количестве, не превышающем 50% нижнего концентрационного предела воспламенения газовоздушной смеси, по управляющему сигналу исполнительного механизма 19, связанного с датчиком температуры воздуха 20 через преобразователь сигнала 21. Датчик температуры воздуха 20 снабжен измерителем 22, который размещен за охладителем воздуха 6 секции 1 в потоке воздуха, поступающего в компрессор 5 ГТД. Один или несколько управляемых клапанов 17 отбора газа из трубопровода 10 сжиженного газа могут быть сообщены с полостью входа воздуха в одну из последующих после первой ступеней компрессора 5 ГТД 2 (на чертеже не показано).

Работа газотурбовоза осуществляется следующим образом.

Во время запуска ГТД2 газ поступает из емкости для топлива 4 в камеры сгорания 15 через клапан - распределитель 16, подогреватель 13, газовый ресивер 14. В трубопровод 10 и газовую полость охладителя воздуха 6 в этот период холодный газ не подается.

Атмосферный воздух входит в воздушную полость входного патрубка 7 охладителя воздуха 6 и далее поступает в первую ступень компрессора 5 с температурой окружающей среды, компримируется и подается в камеры сгорания 15. В газовой полости охладителя воздуха 6 в пусковой период холодный газ отсутствует.

После выхода ГТД2 на рабочий режим открывают клапан - распределитель 16 для подачи части сжиженного газа в газовую полость охладителя воздуха 6 через трубопровод 10. Газ, имеющий температуру около -161°С поступает в газовую полость охладителя 6. Атмосферный воздух, проходя через охладитель 6, охлаждается и после охладителя 6 поступает в первую ступень компрессора 5. Сжатие воздуха, охлажденного до низких температур, протекает при меньших затратах энергии, чем сжатие воздуха, имеющего температуру окружающей среды.

Благодаря этому, обеспечивается увеличение к.п.д. ГТД2 и уменьшение расхода топлива газотурбовозом.

При проходе через газовую полость охладителя воздуха 6 охлаждающий газ подогревается за счет тепла атмосферного воздуха и далее подается в подогреватель 13, где его температура повышается за счет тепла отходящих газов в газовый ресивер 14 и в газовый коллектор камер сгорания 15.

Для дополнительного понижения температуры воздуха, поступающего в компрессор, по сигналу датчика температуры 20, который через преобразователь 21, подается к исполнительному устройству 19, клапаны 17 открываются и холодный газ поступает в воздух, всасываемый в компрессор 5, смешивается с воздухом и понижает его температуру, увеличивая эффект охлаждения и уменьшая мощность, затрачиваемую в компрессоре на повышение давления воздуха. Холодный газ может также через один или несколько управляемых газовых клапанов 17 подаваться в полости входа воздуха в одну из последующих после первой ступеней компрессора 5 газотурбинного двигателя, благодаря чему мощность, затрачиваемая в компрессоре, еще более уменьшается, и к.п.д. двигателя возрастает.

Исполнительный механизм 19 системы управления клапанами 17 обеспечивает подачу газа в воздушный поток в количестве, не превышающем 50% количества, соответствующего нижнему концентрационному пределу воспламенения газовоздушной смеси (при использовании сжиженного метана это количество газа равно 2,5% расхода воздуха).

Благодаря этому ограничению исключается возможность образования взрывоопасной концентрации газа в воздухе, поступающем в компрессор 5.

Предложенное техническое решение обеспечивает понижение температуры атмосферного воздуха, поступающего в компрессор 5, на 40-60°С, благодаря чему коэффициент полезного действия ГТД 2 газотурбовоза увеличивается на 10-15%.

Это позволяет экономить при эксплуатации газотурбовоза более 10% газового топлива за счет располагаемого отрицательного температурного потенциала сжиженного газа без дополнительных энергетических затрат.

1. Газотурбовоз, содержащий секцию с газотурбинным двигателем, компрессором и камерами сгорания этого двигателя, входной патрубок секции для подвода воздуха к компрессору, подогреватель топлива - сжиженного газа, криогенную емкость для топлива, трубопровод топлива, отличающийся тем, что входной патрубок секции для подвода воздуха к компрессору выполнен в виде охладителя воздуха, причем вход в воздушную полость охладителя воздуха сообщен с атмосферой, выход воздуха сообщен с входом в проточную часть первой ступени компрессора, вход в газовую полость охладителя воздуха сообщен трубопроводом сжиженного газа секции с установленной на секции-бустере криогенной емкостью для топлива, а выход - с подогревателем топлива - сжиженного газа секции газотурбовоза, газовым ресивером и камерами сгорания топлива, причем трубопровод сжиженного газа секции снабжен управляемым клапаном-распределителем потоков газа, направляющим в камеры сгорания через охладитель воздуха, подогреватель топлива - сжиженного газа и газовый ресивер от 0 до 50%, а через подогреватель топлива - сжиженного газа и газовый ресивер - от 100 до 50% от общей массы газа, подаваемого в камеры сгорания газотурбинного двигателя.

2. Газотурбовоз по п.1, отличающийся тем, что трубопровод сжиженного газа секции газотурбовоза оборудован одним или несколькими управляемыми клапанами отбора газа, которые сообщены с полостью за охладителем воздуха и подают газ во всасываемый воздух через распылители в количестве, не превышающем 50% от нижнего концентрационного предела воспламенения газовоздушной смеси.

3. Газотурбовоз по п.1, отличающийся тем, что один или несколько управляемых клапанов отбора газа из трубопровода сжиженного газа секции сообщены с полостями входа воздуха в одну из последующих после первой ступеней компрессора газотурбинного двигателя.