Силовая установка газотурбовоза
Силовая установка газотурбовоза содержит газотурбинный двигатель с валом двигателя, компрессором, камерой сгорания, турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, с валом которой соединен вал электрогенератора, и выхлопное устройство. Установка снабжена двигателем Стирлинга и теплообменником-газификатором. Двигатель Стирлинга установлен за рабочим колесом первой ступени свободной турбины. Теплообменник-газификатор подключен к камере сгорания. Изобретение направлено на повышение КПД силовой установки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к железнодорожному транспорту, конкретно к силовым установкам локомотива, выполненным на базе газотурбинного двигателя (турбопоезда или газотурбовоза), который в качестве топлива использует сжиженный природный газ - СПГ.
Работы по созданию газотурбовоза проведены в СССР и за рубежом. В Западной Европе наиболее интенсивные работы по газотурбовозам впервые были развернуты во Франции и привели к созданию газотурбовоза.
Известна силовая установка по патент РФ на изобретению №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.
Известна силовая установка по патенту РФ №2189477, которая содержит газотурбинный двигатель - ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.
Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.
Известна силовая установка газотурбовоза по патенту РФ №2272916, которая содержит газотурбинный двигатель с турбиной и свободную турбину, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, конкретно - с системой охлаждения турбины.
Недостатками этого двигателя является низкий КПД силовой установки из-за того, что подача пара на вход в турбину резко уменьшает температуру продуктов сгорания, проходящих через нее, и тем самым снижает КПД турбины и силовой установки в целом. Если же компенсировать снижение температуры газа перед турбиной увеличением расхода топлива, это приведет к дефектам в виде прогара сопловых и рабочих лопаток турбины. Кроме того, длительное пропускание большого расхода воды через систему охлаждения турбины приводит к отложению накипи в системе охлаждения турбины и ухудшению охлаждения.
Известна силовая установка газотурбовоза по книге Уварова В.В. И др. Локомотивные газотурбинные установки. - М.: Машгиз, 1962, с.478...483, прототип, которая содержит газотурбинный двигатель с валом двигателя, компрессором, камерой сгорания, турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, с валом которой соединен вал электрогенератора.
Недостатки: низкий КПД из-за того, что не используется тепло выхлопных газов, и низкая надежность из-за большого количества вращающихся деталей.
Задачи создания изобретения: повышение экономичности и надежности установки.
Решение указанных задач достигнуто в силовой установке газотурбовоза, содержащей газотурбинный двигатель с валом двигателя, компрессором, камерой сгорания, турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, с валом которой соединен вал электрогенератора, и выхлопное устройство, отличающаяся тем, что установка снабжена двигателем Стирлинга и теплообменником-газификатором, при этом двигатель Стирлинга установлен за рабочим колесом первой ступени свободной турбины, а теплообменник-газификатор подключен к камере сгорания. Свободная турбина выполнена двухступенчатой, а двигатель Стирлинга установлен между первой и второй ступенями. Двигатель Стирлинга содержит рабочий цилиндр и расширительный цилиндр, полость для охлаждения которого соединена воздушным трактом с теплообменником-газификатором.
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 и 2, где:
на фиг.1 приведена схема силовой установки газотурбовоза,
на фиг.2 приведена схема двигателя Стирлинга.
Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит газотурбинный двигатель ГТД 1 и подсоединенную газовым трактом 2 свободную турбину 3, к которой присоединен электрогенератор 4.
ГТД 1 содержит воздухозаборное устройство 5, компрессор 6, камеру сгорания 7, турбину 8, систему топливоподачи 9 с топливным насосом 10 и приводом топливного насоса 11, теплообменник-газификатор 12, установленный в системе топливоподачи 9, газопровод 13, кольцевой коллектор 14, к которому подключены газопровод 13 и далее камера сгорания 7.
Компрессор 6 установлен на валу ГТД 15, на конце вала ГТД 15 установлен датчик оборотов 16. Свободная турбина 3 может быть выполнена одноступенчатой, двухступенчатой и большим числом ступеней в зависимости от мощности установки.
Для примера приведена схема (фиг.1) с двумя ступенями свободной турбины, которая содержит сопловой аппарат первой ступени свободной турбины 17, рабочее колесо первой ступени свободной турбины 18 с рабочими лопатками первой ступени 19, установленными на первом диске свободной турбины 20. Вторая ступень свободной турбины содержит второй сопловой аппарат свободной турбины 21, второе рабочее колесо свободной турбины 22 с рабочими лопатками второй ступени турбины 23 и диском второй ступени турбины 24, далее идет опора свободной турбины 25 и выхлопное устройство 26. Через выхлопное устройство 26 проходит вал 27 свободной турбины 3, который через муфту 28 соединен с валом нагрузки 29 и далее с электрогенератором 4. Блок управления 30 соединен электрическими связями с приводом топливного насоса 11, датчиком оборотов 16 и другими приводами и датчиками контроля (на фиг.1 и 2 не показано). Электрогенератор 4 и электродвигатель 15 соединены электрической связью 31 для передачи энергии, вырабатываемой электрогенератором 4, к приводным электродвигателям 32.
Отличительной особенностью силовой установки является наличие двигателя Стирлинга 3 между первой и второй ступенями свободной турбины, т.е. за рабочим колесом первой ступени свободной турбины 18. К двигателю Стиргинга 33 поведен охлаждающий воздух из атмосферы при помощи воздухозаборника 34, вентилятора 35, воздуховода 36, соединяющего вентилятор 35 с теплообменником-газификатором 12, и воздушной магистрали 37, соединяющей теплообменник-газификатор 12 с двигателем Стирлинга 33. Возможно использование любой модификации двигателя Стирлинга.
На фиг.2 приведена схема одного из вариантов исполнения двигателя Стирлинга 3, который содержит рабочий цилиндр 38, с установленным внутри в полости «Б» рабочим поршнем 39, который шатуном 40 соединен с валом свободной турбины 23, и расширительный цилиндр 41 с установленным внутри в полости «В» вторым поршнем 42 и с кожухом 43 снаружи, образующим полость «Г» для охлаждения расширительного цилиндра 41. Второй поршень 42 соединен шатуном 44 с валом 27 свободной турбины 3. Трубопровод 45 соединяет полости «Б» и «В» для перетекания рабочего тела из рабочего цилиндра 38 в расширительный цилиндр 41. К полости «Г» подсоединена воздушная магистраль 37 для подвода охлаждающего воздуха.
При работе при помощи стартера (на фиг.1 и 2 не показан) запускается ГТД 1, при этом подается сигнал с блока управления 30 на привод 11, топливный насос 10 подает жидкое топливо - сжиженный природный газ, сначала в теплообменник-газификатор 12, где оно испаряется и газифицируется, а потом оно подается в камеру сгорания 7, где воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1 и 2 не показано). Выхлопные газы, проходят по газовому тракту 2 в свободную турбину 3. Рабочие колеса свободной турбины 18 и 22 с валом 27 свободной турбины 3 раскручиваются. Крутящий момент через муфту 28 передается на вал нагрузки 29 и далее на электрогенератор 4. С электрогенератора 4 электрическая энергия подается на приводные электродвигатели 32, связанные с колесными парами газотурбовоза (на фиг.1 и 2 не показано).
После запуска двигателя 1, который контролирует блок управления 30 по оборотам, сведения о которых получены с датчика оборотов 16, включают вентилятор 35 и воздух подается в теплообменник-газификатор 12, где газифицирует топливо (сжиженный природный газ), и охлажденный воздух по воздушной магистрали 37 подается в полость «Г» для охлаждения двигателя Стирлинга.
В результате использования регенерации тепла в двигателе Стирлинга КПД силовой установки возрастает более чем в 2 раза, а именно с 30% без него до 60%.
Применение изобретения позволило:
1. Значительно повысить КПД силовой установки за счет:
- использования для получения энергии на валу нагрузки кроме свободной турбины двигателя Стирлинга, который утилизирует тепло, раньше сбрасываемое в выхлопное устройство и в атмосферу,
- повышения КПД цикла двигателя Стирлинга за счет использования хладоресурса сжиженного природного газа, применяемого для работы силовой установки газотурбовоза,
- увеличения расхода рабочего тела через вторую и последующие свободные турбины за счет сброса подогретого в двигателе Стирлинга воздуха для его использования в свободной турбине для создания дополнительной мощности на валу нагрузки.
2. Снизить эмиссию токсичных веществ в атмосферу за счет того, что двигатель Стирлинга имеет значительно лучшие экологические показатели по сравнению с другими типами двигателей.
1. Силовая установка газотурбовоза, содержащая газотурбинный двигатель с валом двигателя, компрессором, камерой сгорания, турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, с валом которой соединен вал электрогенератора, и выхлопное устройство, отличающаяся тем, что установка снабжена двигателем Стирлинга и теплообменником-газификатором, при этом двигатель Стирлинга установлен за рабочим колесом первой ступени свободной турбины, а теплообменник-газификатор подключен к камере сгорания.
2. Силовая установка газотурбовоза по п.1, отличающаяся тем, что свободная турбина выполнена двухступенчатой, а двигатель Стирлинга установлен между первой и второй ступенями.
3. Силовая установка газотурбовоза по п.1 или 2, отличающаяся тем, двигатель Стирлинга содержит рабочий цилиндр и расширительный цилиндр, полость для охлаждения которого соединена воздушным трактом с теплообменником-газификатором.
