RU2376484C1

RU2376484C1 - Gas turbine locomotive

Info

Publication number: RU2376484C1
Application number: RU2008113253/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2009-12-20
Also published as: RU2008113253A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: gas turbine locomotive comprises body with roof and sidewalls, two primary power plants representing gas turbine engines and auxiliary diesel articulated with aforesaid gas turbine engines. Primary power plants are mounted in engine nacelles attached, via aerodynamic wings, to aforesaid sidewalls and interjointed via transfer box and controlled coupling. Aforesaid rood accommodates vertical aerodynamic control surface coupled with drive linked up, in its turn, with control unit. Two pickups of angular forces acting on front wheel pair and all controlled couplings are connected to aforesaid control surface.

EFFECT: higher reliability.

5 dwg

Description

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.The invention relates to railway transport, specifically to locomotive power plants, based on a gas turbine engine (turbo train or gas turbo locomotive), which uses liquefied natural gas - LNG as fuel.

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.Work on the creation of a gas turbine locomotive was carried out in the USSR and abroad. In Western Europe, the most intensive work on gas turbine locomotives was first launched in France and led to the creation of a gas turbine locomotive.

Известна силовая установка по патенту РФ на изобретение №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.Known power plant according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2137617, this installation has a liquid cooling system and a fan to create a flow of cooling air.

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.A known power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2189477, which contains a gas turbine engine - gas turbine engine, a gas path connecting this gas turbine engine with a free turbine, and a load in the form of an electric generator, the shaft of which is connected to the shaft of the free turbine through a coupling.

Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.The disadvantage of this power plant is that it has a low efficiency of about 20%, which is almost 2 times less than that of modern diesel plants.

Известна силовая установка газотурбовоза по патенту РФ №2272916 (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.A known gas turbine locomotive power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2272916 (prototype), which contains a gas turbine engine with a turbine and a free turbine, behind which a regenerative heat exchanger is installed, the outlet of which is connected to the gas turbine engine, specifically, to the turbine cooling system.

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.The disadvantages of this engine is the low efficiency of the power plant due to the fact that the steam supply to the turbine inlet sharply reduces the temperature of the combustion products passing through it, and thereby reduces the efficiency of the turbine and the power plant as a whole. If to compensate for the decrease in the gas temperature in front of the turbine with an increase in fuel consumption, this will lead to defects in the form of burnout of the nozzle and working blades of the turbine. In addition, prolonged transmission of a large flow rate of water through the turbine cooling system leads to scale deposits in the turbine cooling system and poor cooling. The use of distilled water is not possible for technical and economic reasons. In addition, the regenerative heat exchanger has an insufficient heat exchange surface in order to completely utilize the heat of the exhaust gases.

Задачи создания изобретения: повышение надежности газотурбовоза и силовой установки и улучшение управляемости газотурбовозом.Objectives of the invention: improving the reliability of a gas turbine locomotive and power plant and improving the controllability of a gas turbine locomotive.

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, тем, что применено две основные силовые установки, установленные в мотогондолах, прикрепленных при помощи аэродинамических крыльев к боковым стенкам корпуса газотурбовоза, и соединенные соединительными валами с раздаточной коробкой, а на крыше установлен воздушный винт, соединенный соединительным валом с раздаточной коробкой.The solution to this problem was achieved in a gas turbine locomotive containing a body having a roof and side walls, a main power plant in the form of a gas turbine engine, and an auxiliary diesel engine connected kinematically by using two main power plants installed in engine nacelles attached by aerodynamic wings to the side walls of the body of the gas turbine locomotive, and connected by connecting shafts to the transfer case, and on the roof there is an air screw connected by a connecting shaft to the dispenser th box.

Решение указанной задачи достигнуто в основной силовой установке газотурбовоза, содержащей турбокомпрессор с корпусом, компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и реактивное сопло, отличающейся тем, что турбокомпрессор выполнен биротативным и состоит из двух турбокомпрессоров, выполненных с возможностью вращения в противоположные стороны и содержащих валы с рабочими колесами компрессоров и рабочими колесами турбин. Вал основной силовой установки соединен при помощи трансмиссии с вспомогательным дизелем. Концентрично валам турбокомпрессоров выполнен внешний корпус. Камера сгорания прикреплена к внешнему корпусу основной силовой установки.The solution of this problem was achieved in the main power plant of a gas turbine locomotive, comprising a turbocompressor with a housing, a compressor, a combustion chamber, the outlet of which is connected by a gas path to the turbine, and a jet nozzle, characterized in that the turbocompressor is made biotic and consists of two turbocompressors made with rotation in opposite directions and containing shafts with compressor impellers and turbine impellers. The shaft of the main power plant is connected via a transmission to an auxiliary diesel engine. Concentric to the shafts of the turbochargers is an external housing. The combustion chamber is attached to the outer casing of the main power plant.

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.The proposed technical solution has novelty, inventive step and industrial applicability, as evidenced by patent research. To implement the invention, it is sufficient to use the known components and parts previously developed and implemented in the design of gas turbine engines and in mechanical engineering.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…5, гдеThe invention is illustrated in figure 1 ... 5, where

на фиг.1 приведена схема газотурбовоза,figure 1 shows a diagram of a gas turbine locomotive,

на фиг.2 - вид А-А,figure 2 is a view aa,

на фиг.3 приведен вид газотурбовоза сбоку,figure 3 shows a side view of a gas turbine locomotive,

на фиг.4 приведена схема размещения датчиков боковых усилий,figure 4 shows the layout of the sensors of lateral forces,

на фиг.5 приведена схема основной силовой установки газотурбовоза.figure 5 shows a diagram of the main power plant of a gas turbine locomotive.

Газотурбовоз 1 (фиг.1…5) содержит корпус 2, состоящий из боковых стенок 3 и крыши 4.Gas turbine 1 (figure 1 ... 5) contains a housing 2, consisting of side walls 3 and a roof 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 8. Внутри корпуса 2 установлен вспомогательный дизель 9, соединен с газотурбинным двигателем 8 через управляемую муфту 10, соединительный вал 11 и редуктором 12 (раздаточную коробку). Тяговый (тяговые) привод(ы) 13 при помощи силовых валов 14 соединен(ы) с редуктором 12. Силовые валы 14 также имеют управляемые муфты 10. На крыше 4 в задней части корпуса 2 установлен вертикальный аэродинамический руль 16, соединенный с приводом 17.The body 2 is mounted on the platform 5. Two aerodynamic wings 6 are attached to the side walls 3 of the body 2, to which the engine nacelles 7 are mounted, in which the gas turbine engines are installed 8. Inside the body 2, an auxiliary diesel engine 9 is installed, connected to the gas turbine engine 8 through a controlled clutch 10, the connecting shaft 11 and the gearbox 12 (transfer case). Traction (traction) drive (s) 13 by means of power shafts 14 is connected (s) with a gear 12. Power shafts 14 also have controllable couplings 10. On the roof 4 in the rear of the casing 2 there is a vertical aerodynamic steering wheel 16 connected to the drive 17.

Платформа 5 при помощи колесных пар 15 установлена на рельсах 18.The platform 5 using the wheelset 15 is mounted on the rails 18.

Газотурбинные двигатели 8 (фиг.3) содержат входное устройство 19 и два турбокомпрессора: первый - 20 и второй - 21, выполненных по биротативной схеме, т.е. без сопловых и направляющих аппаратов, с возможностью вращения в противоположные стороны. Первый турбокомпрессор 20 содержит компрессор низкого давления 22 и турбину низкого давления 23. Второй турбокомпрессор 21 содержит компрессор высокого давления 24 и турбину высокого давления 25. Компрессор низкого давления 22 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо 26. Турбина низкого давления 23 содержит также, по меньшей мере, одно рабочее колесо 27. Рабочие колеса 26 и 27 первого турбокомпрессора 20 соединены внутренним валом 28. Аналогично, компрессор высокого давления 24 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо 26, а турбина высокого давления 25 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо 27. Рабочие колеса 26 компрессора высокого давления 24 и рабочее колесо (колеса) 27 турбины высокого давления 25 соединены внешним валом 29. Внутренний вал 28 установлен на подшипниках 30, а внешний вал 29 установлен на подшипниках 31. Газотурбинный двигатель 8 имеет внешний корпус 32, к которому крепится камера сгорания 33 с форсунками 34, к внешнему корпусу 32 также крепятся при помощи ребер 35 входное устройство 19 и при помощи ребер 36 реактивное сопло 37. Перед камерой сгорания 33 установлен спрямляющий направляющий аппарат 38, а за камерой сгорания 33 - сопловой аппарат 39.Gas turbine engines 8 (Fig. 3) contain an input device 19 and two turbocompressors: the first - 20 and the second - 21, made according to the birotative scheme, i.e. without nozzle and guide vanes, with the possibility of rotation in opposite directions. The first turbocharger 20 comprises a low pressure compressor 22 and a low pressure turbine 23. The second turbocompressor 21 comprises a high pressure compressor 24 and a high pressure turbine 25. The low pressure compressor 22 includes at least one impeller 26. The low pressure turbine 23 also comprises at least one impeller 27. The impellers 26 and 27 of the first turbocharger 20 are connected by an internal shaft 28. Similarly, the high-pressure compressor 24 contains at least one impeller 26, and the high-pressure turbine Line 25 contains at least one impeller 27. The impellers 26 of the high pressure compressor 24 and the impeller (wheels) 27 of the high pressure turbine 25 are connected by an external shaft 29. The inner shaft 28 is mounted on bearings 30, and the outer shaft 29 is mounted on bearings 31. The gas turbine engine 8 has an outer casing 32, to which a combustion chamber 33 with nozzles 34 is attached, an input device 19 is also attached to the outer casing 32 by means of fins 35 and a jet nozzle 37 by means of fins 36. A straightening chamber is installed in front of the combustion chamber 33. a guide apparatus 38, and behind the combustion chamber 33, a nozzle apparatus 39.

Топливная система каждой основной силовой установки 8 содержит топливопроводы 40а и 40b, в которых установлены топливные насосы 41ab, 41b, соединенные с приводами 42аb, 42b. Основная силовая установка 8 установлена в мотогондолах 7, прикрепленных к двум аэродинамическим крыльям 6 (фиг.1 и 2). Газотурбовоз оборудован блоком управления 43 и двумя датчиками боковых усилий 44а и 44в, установленными на передней колесной паре 17, соответственно на левом и правом колесах. Датчики боковых усилий 44а и 44б соединены с блоком управления 43. К блоку управления 43 также подключены приводы 42а и 42в топливных насосов 41а и 41в (левой и правой основных силовых установок 8).The fuel system of each main power plant 8 comprises fuel lines 40a and 40b in which fuel pumps 41ab, 41b are connected to the drives 42ab, 42b. The main power unit 8 is installed in the nacelles 7 attached to two aerodynamic wings 6 (Figs. 1 and 2). The gas turbine locomotive is equipped with a control unit 43 and two lateral force sensors 44a and 44b mounted on the front wheelset 17, respectively, on the left and right wheels. The lateral force sensors 44a and 44b are connected to the control unit 43. Drives 42a and 42b of the fuel pumps 41a and 41b (left and right main power units 8) are also connected to the control unit 43.

При работе сначала запускают вспомогательный дизель 9, потом обе основных силовых установки 8 по очереди при помощи вспомогательного дизеля 9, выполняющего функцию стартера, раскручивают один из турбокомпрессоров 20 или 21 одного газотурбинного двигателя, запускают привод 41а, который раскручивает топливный насос 41а, топливо (сжиженный природный газ - СПГ) по топливопроводу 40а подается в форсунки 34 камеры сгорания 33, где воспламеняется при помощи пирозапальника или электрозапальника (на фиг.1…5 не показан). Продукты сгорания проходят через турбину высокого давления 25 и турбину низкого давления 23. Мощность с турбин 25 и 23 передается на компрессоры 22 и 24, которые сжимают воздух, идущий в камеру сгорания 32. Значительная часть мощности (70…80%) подается на тяговый привод 13 и на колесные пары 15 и создает тягу газотурбовоза (локомотива) 1. Кроме того, две основные силовые установки 8, выполненные в виде газотурбинных двигателей, создают дополнительно реактивную тягу 20…30% от общего тягового усилия.During operation, the auxiliary diesel engine 9 is first started, then both main power units 8 are taken in turn using the auxiliary diesel engine 9, which acts as a starter, untwist one of the turbochargers 20 or 21 of one gas turbine engine, start the drive 41a, which spins the fuel pump 41a, fuel (liquefied natural gas (LNG) through a fuel line 40a is supplied to the nozzles 34 of the combustion chamber 33, where it is ignited using a pyrozapalnik or an electric igniter (not shown in FIGS. 1 ... 5). The combustion products pass through a high-pressure turbine 25 and a low-pressure turbine 23. The power from the turbines 25 and 23 is transmitted to the compressors 22 and 24, which compress the air entering the combustion chamber 32. A significant part of the power (70 ... 80%) is supplied to the traction drive 13 and to wheelsets 15 and creates the thrust of a gas turbo locomotive (locomotive) 1. In addition, the two main power plants 8, made in the form of gas turbine engines, create an additional reactive thrust of 20 ... 30% of the total traction.

При отказе одной из силовых установок 8 она отключается при помощи 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 вертикального аэродинамического руля 16, которым управляет привод руля 17. Одновременно режим работы основных силовых установок 8 регулируется топливными насосами 41а и 41b. Управление осуществляет блок управления 43 по показаниям датчиков боковых усилий 44а и 43b, при этом основная силовая установка 8, находящаяся на той стороне, на которой показания датчика бокового усилия 44а или 44b увеличиваются, переводится на пониженный режим работы или отключается, одновременно привод 17 поворачивает вертикальный аэродинамический руль до выравнивания боковых усилий:In case of failure of one of the power plants 8, it is turned off by means of a controlled clutch 10, and the gas turbine locomotive 1 continues to move without reducing speed due to forcing the second power plant. The lateral force resulting from this is compensated by the vertical aerodynamic rudder 16, which is controlled by the rudder drive 17. At the same time, the operation mode of the main power plants 8 is regulated by the fuel pumps 41a and 41b. The control is carried out by the control unit 43 according to the readings of the lateral force sensors 44a and 43b, while the main power unit 8, located on the side on which the readings of the lateral force sensor 44a or 44b are increased, is switched to a reduced operating mode or is turned off, while the actuator 17 rotates the vertical aerodynamic steering wheel before alignment of lateral forces:

Рправ=Рлев.Rpv = Rlev.

Останов основных силовых установок 8 осуществляется прекращением подачи топлива. Реверсирование при помощи раздаточной коробки 12 или применением реверса на основных силовых установках 8 (детально это устройство в материалах заявки не приведено). Аварийный останов осуществляется выключением основных силовых установок 8 и торможением колесных пар 15, а маневрирование использованием вспомогательного дизеля 9.The shutdown of the main power plants 8 is carried out by stopping the supply of fuel. Reversing using a transfer case 12 or using reverse on the main power plants 8 (this device is not described in detail in the application materials). Emergency stop is carried out by turning off the main power units 8 and braking the wheelsets 15, and maneuvering using an auxiliary diesel 9.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Улучшить и полностью автоматизировать управление газотурбовозом за счет применения блоков управления, датчиков, управляемых муфт и вертикального аэродинамического руля.1. Improve and fully automate the control of a gas turbine locomotive through the use of control units, sensors, controlled couplings and a vertical aerodynamic steering wheel.

2. Повысить надежность газотурбовоза (локомотива) за счет связи при помощи трансмиссии двух двигательных установок: основной силовой и вспомогательного дизеля и возможности продолжения полета при отказе одного из них.2. To increase the reliability of a gas turbo locomotive (locomotive) through communication with the transmission of two propulsion systems: the main power and auxiliary diesel and the possibility of continuing the flight if one of them fails.

4. Обеспечить маневрирование газотурбовоза с применением вспомогательного дизеля.4. To provide maneuvering of a gas turbo locomotive using an auxiliary diesel engine.

5. Повысить КПД всех двигательных силовых установок за счет более рациональной компоновки всех силовых установок, 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 уменьшен осевой габарит основной силовой установки локомотива за счет применения биротативной схемы.5. To increase the efficiency of all propulsion systems due to a more rational layout of all propulsion systems, the presence of two stages of a compressor and a turbine for all propulsion systems, and heat recovery at the entrance to the main power plant. Especially significantly improved traction and weight characteristics and reduced axial dimension of the main power plant of the locomotive due to the use of a biotic scheme.

6. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора основной силовой установки без раскручивания другого ротора.6. Facilitate starting by spinning up only one rotor of the main power plant without spinning another rotor.

7. Облегчить условия работы роторов основных силовых установок за счет возможности их взаимного проскальзывания одного из двух роторов и их работы на различающихся частотах вращения.7. To facilitate the working conditions of the rotors of the main power plants due to the possibility of their mutual sliding of one of the two rotors and their operation at different speeds.

8. Уменьшить вес и габариты основной силовой установки, особенно осевой габарит, что важно для газотурбовоза за счет применения биротативной схемы.8. To reduce the weight and dimensions of the main power plant, especially the axial dimension, which is important for a gas turbine due to the use of a birotative scheme.

9. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов основной силовой установки без применения редуктора.9. Ensure the opposite rotation of the stages of the rotors of the main power plant without the use of a gearbox.

Claims

A gas turbine locomotive comprising a body having a roof and side walls, a main power unit in the form of a gas turbine engine, and an auxiliary diesel engine connected kinematically, characterized in that two main power units are used installed in engine nacelles attached by aerodynamic wings to the side walls of the body gas turbine and interconnected through a transfer box and controlled clutch, and on the roof there is a vertical aerodynamic steering wheel connected to the drive, which, in its the queue is connected to a control unit to which two lateral force sensors acting on the front wheel pair and all controlled clutches are connected.