Газотурбовоз
Изобретение относится к локомотивам с газотурбинным двигателем, работающим на сжиженном природном газе, - газотурбовозам. Газотурбовоз содержит корпус, имеющий крышу и боковые стенки, основную силовую установку в виде газотурбинного двигателя, а также вспомогательный дизель, соединенные кинематически. В газотурбовозе применено две основные силовые установки в виде авиационных газотурбинных двигателей с реверсом тяги, установленные в мотогондолах, прикрепленных к боковым стенкам корпуса газотурбовоза, а на крыше корпуса установлен, по меньшей мере, один аэродинамический стабилизатор. Технический результат заключается в повышении надежности и КПД газотурбовоза. 4 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 патенту РФ на изобретение №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 США №3543685, опубл. 01.12.1970 (прототип), 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. Применение дистиллированной воды невозможно по техническим и экономическим соображениям. Кроме того, регенеративный теплообменник имеет недостаточную поверхность теплообмена, для того чтобы полностью утилизировать тепло выхлопных газов.
Задача создания изобретения: повышение надежности установки.
Решение указанной задачи достигнуто в газотурбовозе, содержащем корпус, имеющий крышу и боковые стенки, основную силовую установку в виде газотурбинного двигателя, а также вспомогательный дизель, соединенные кинематически, отличающемся тем, что применены две основные силовые установки в виде авиационных газотурбинных двигателей с реверсом тяги, установленные в мотогондолах, прикрепленных к боковым стенкам корпуса газотурбовоза, на крыше корпуса установлен, по меньшей мере, один аэродинамический стабилизатор.
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…4, где:
на фиг.1 приведена схема газотурбовоза,
на фиг.2 - вид А-А,
на фиг.3 приведен вид сбоку,
на фиг.4 приведена схема основной силовой установки газотурбовоза.
Газотурбовоз 1 содержит корпус 2, состоящий из боковых стенок 3 и крыши 4.
Корпус 2 установлен на платформе 5. К боковым стенкам 3 корпуса 2 прикреплены два аэродинамических крыла 6, к которым прикреплены мотогондолы 7, в которых установлены газотурбинные двигатели (ГТД) 8 с реверсом тяги 9. На крыше 4 установлен вертикальный аэродинамический стабилизатор 10. Внутри корпуса 2 установлен вспомогательный дизель 11, соединенные между собой через управляемую муфту 12 соединительным валом 13 с раздаточной коробкой (редуктором) 14. Из раздаточной коробки 14 выходит силовой вал 15, другой конец которого соединен с электрогенератором 16, который кабелем 17 соединен с тяговым приводом (приводами) 18, которые соединены с колесными парами 19. Колесные пары 19 установлены на рельсах 20.
Газотурбинные двигатели 8 содержат (фиг.3) входное устройство 21 и два турбокомпрессора: первый - 22 и второй - 23, выполненных по биротативной схеме, т.е. без сопловых и направляющих аппаратов, с возможностью вращения в противоположные стороны. Турбокомпрессор 22 содержит компрессор низкого давления 24 и турбину низкого давления 25. Компрессор низкого давления 24 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 26. Турбина низкого давления 25 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 27. Рабочие колеса компрессора 26 и рабочее колесо (колеса) турбины 27 соединены внутренним валом 28 первого турбокомпрессора 22. Второй турбокомпрессор 23 содержит компрессор высокого давления 29 и турбину высокого давления 30. Компрессор высокого давления 29 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 26, а турбина высокого давления 30 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 27. Рабочее колесо (колеса) 26 компрессора высокого давления 29 и рабочее колесо (колеса) 27 турбины высокого давления 30 соединены внешним валом 31. Валы 28 и 31 установлены на подшипниках 32. Основная силовая установка 8 имеет внешний корпус 33, к которому крепится камера сгорания 34 с форсунками 35, к внешнему корпусу 33 также крепятся входное устройство 21 при помощи ребер 36 и реактивное сопло 37 при помощи радиальных ребер 38. Перед камерой сгорания 34 установлен спрямляющий направляющий аппарат 39, а за камерой сгорания 34 - сопловой аппарат 40.
Топливная система газотурбинного двигателя 8 содержит топливопровод 41, в котором установлен топливный насос 42, соединенный с приводом 43. Основная силовая установка 8 установлена вертикально в центре корпуса 2 газотурбовоза (локомотива) 1 (фиг.1 и 2). Блок управления 20 соединен электрическими связями с приводом 43 и с управляемыми муфтами 10.
При работе сначала запускают вспомогательный дизель 11, потом газотурбинный двигатель 8, при помощи вспомогательного дизеля 11, выполняющего функцию стартера, раскручивают один из турбокомпрессоров 22 или 23, с пульта управления 20 запускают привод 43, который раскручивает топливный насос 42, топливо (сжиженный природный газ - СПГ) по топливопроводу 41 подается в форсунки 35 камеры сгорания 34, где воспламеняется при помощи пирозапальника или электрозапальника (на фиг.1…3 не показан). Продукты сгорания проходят через турбину высокого давления 30 и турбину низкого давления 25. Мощность с турбин 25 и 30 передается на компрессоры 24 и 29, которые сжимают воздух, идущий в камеру сгорания 34. Значительная часть мощности (70…80%) передается на тяговый привод 16 и на колесные пары 17, которые, в основном, создают тягу газотурбовоза (локомотива) 1. Кроме того, две основные силовые установки 8 создают дополнительно реактивную тягу 20…30% от общего тягового усилия.
При отказе одной из силовых установок (газотурбинных двигателей) 8, она отключается при помощи соответствующей управляемой муфты 10, и газотурбовоз 1 продолжает движение, не снижая скорости, за счет форсирования второй силовой установки. Возникшее при этом боковое усилие компенсируется при помощи двух вертикальных аэродинамических рулей 19, которыми управляют привода рулей 20. Применение двух вертикальных аэродинамических рулей увеличивает их эффективность и позволяется уменьшить вертикальные габариты газотурбовоза.
Режим работы газотурбинных двигателей 8 регулируется топливными насосами 42. Останов основных силовых установок осуществляется прекращением подачи топлива. Реверсирование - при помощи раздаточной коробки 12 (детально это устройство в материалах заявки не приведено). Аварийный останов осуществляется выключением основных силовых установок 8 и торможением, а маневрирование - использованием вспомогательного дизеля 9. Вспомогательный дизель 9 используется и в качестве стартера для основных силовых установок. При неработающем вспомогательном дизеле 9 он отключатся при помощи управляемой муфты 10. Отключение аварийной основной силовой установки от общей силовой схемы производится также при помощи соответствующей управляемой муфты 12.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить надежность локомотива за счет связи при помощи трансмиссии двух двигательных установок: основной силовой и вспомогательного дизеля и возможности продолжения движения при отказе одного из них.
2. Обеспечить работу газотурбовоза при отказе одной основной силовой установки.
3. Обеспечить движение с небольшой скоростью при отказе двух основных силовых установок.
4. Обеспечить маневрирование газотурбовоза с применением вспомогательного дизеля.
5. Повысить КПД всех силовых установок за счет их более рациональной компоновки, а именно наличия двух каскадов компрессора и турбины у всех силовых установок и регенерации тепла на входе в основную силовую установку. Особенно значительно улучшены тяговые и весовые характеристики и уменьшены осевые габариты основной силовой установки локомотива за счет применения биротативной схемы ГТД.
6. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора основной силовой установки без раскручивания другого ротора.
7. Облегчить условия работы роторов основных силовых установок за счет возможности взаимного проскальзывания одного из двух роторов и их работы на различающихся частотах вращения.
8. Уменьшить вес и габариты основной силовой установки, особенно осевой габарит, что важно для газотурбовоза, за счет применения биротативной схемы.
9. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов основной силовой установки без применения редуктора.
Газотурбовоз, содержащий корпус, имеющий крышу и боковые стенки, основную силовую установку в виде газотурбинного двигателя, а также вспомогательный дизель, соединенные кинематически, отличающийся тем, что применено две основные силовые установки в виде авиационных газотурбинных двигателей с реверсом тяги, установленные в мотогондолах, прикрепленных к боковым стенкам корпуса газотурбовоза, на крыше корпуса установлен, по меньшей мере, один аэродинамический стабилизатор.
