CN111469870A - 一种由航改型燃气轮机机车和电力机车组成的新型内重联机车 - Google Patents

Abstract

一种由航改型燃气轮机机车和电力机车组成的新型内重联机车，其中一节装备燃气轮机发电机组等设备，另一节类似当今电力机车，一般不可分离地作为货运机车使用。在电气化铁路上，机车由接触网供电；在非电气化铁路上，由航改型燃气轮机发电机组供电，但主辅一体变流器、隔离接触器、微机控制系统等共用。当设计的牵引定数或拖车数相对较小时，该内重联机车内各缩小后的设备则可集成在加长型燃电一体6轴单节机车上，退化为单节货运或客运机车。该系列新型机车，可在轨距相同的路网和高寒地区不减牵引功率、从电气化到非电气化铁路过程中可不解编和缩编、从非电气化到电气化铁路无需扩编，可提高运输效率，保证战时军事和冰雪灾害时期的铁路运输。

Description

一种由航改型燃气轮机机车和电力机车组成的新型内重联 机车

技术领域

本专利申请属于铁路机车车辆领域中的机车部分。

背景技术

为了提高铁路的通过能力和经济效益，措施之一是提高机车的牵引定数和列车的运行速度，这就需要提高机车的牵引功率；措施之二是提高单位时间内列车的通过率即行车密度；措施之三是需要提高电气化铁路和非电气化铁路之间的“接驳”能力。现在国内的铁路货运主要采用大功率内重联电力机车牵引，如HXD1、HXD1D、HXD1F；HXD2、HXD2D、HXD2F；HXD3；SS3B；SS4、SS4G等。相同型号机车和部分不同型号机车可以外重联。对于内燃客货运机车，大体亦是如此，我国青藏铁路的格拉段客车就是采用内燃机车内重联双节牵引。对于内重联机车，我国国家层次的技术管理部门所给的只有一个机车编号，分为A节和B节，单节一般不独立使用，运用时一般不分离，大部分时间只称机车，如HXD1机车，称为和谐D1型机车。

采用双节内重联电力机车主要是为了提高牵引吨位，但上述双节式内重联电力机车只能运行在电气化铁路上，不能在我国路网内畅通无阻地运行，且当由该型货运机车牵引的车列进入非电气化铁路之前(列车由机车和其后面的拖车组成，该组拖车就称为车列)，一般需要先进入编组站，在站内进行解编和缩编，缩编后的每部分各自都改由内燃机车牵引，这对提高铁路的货运通过能力形成了某种程度的瓶颈，且缩短了机车交路。对于单节式电力货运或客运机车，则由电气化铁路进入非电气化铁路时，更换火车头，车列改为内燃机车牵引，一般会降速运行，这无疑会花费较多时间。当由非电气化铁路进入电气化铁路时，则与之相反。这降低了铁路的运输效率，在我国和许多国家，现阶段均存在这种情况。

燃气轮机具有燃烧效率高、黑烟少、零部件少、结构简单、可靠性高、单位功率的体积和重量小，噪声小、振动小、启动快、无需或少需冷却水、机油消耗少且对机油品质要求相对内燃机较低、操作简单、维护方便且维修成本低、适应环境温度宽，NO_X和碳颗粒排放少；燃气轮机发电机组的输出电压和频率稳定、输出精度高、波形失真小等诸多优点。特别是当气温下降时，其功率反而有较大幅度地提高。对于航改型燃气轮机，则相对普通的工业燃气机，相同功率条件下则体积更小，功率密度更大。现各主要燃气轮机制造商，主要利用军用航空发动机进行改进，使之适用于军舰、商船、移动设备和各发电机组等，并具有加速的趋势。本文中提到的燃气轮机和航改型燃气轮机，涉及本发明的均指后者，不再赘述。

对于前述的情况，本专利发明人经过查阅大量资料并进行研究，结合航改型燃气轮机具有功率大、体积更小和功率密度更大的优点，且由于材料和技术的进步，其额定载荷条件下热效率低的不足之处，现已得到根本改变，现美国GE公司燃气轮机的简单循环的热效率可达38-42％，经过回热和再烧等技术，有的可达到47％。值得说明的是，网上信息表明燃气轮机联合循环发电的热效率2019年上半年已达64％，但在机车上不能使用联合循环，即使让水蒸汽部分封闭循环，也需要大量的补水。燃气轮机的热效率同柴油机的热效率已不相上下，有的甚至高于一些。至于燃气轮机部分载荷工况或空载工况条件下热效率低的不足之处，由于微机的控制燃烧，间冷、回热和再燃烧技术的使用，得到了较大程度地改观。以国产2011年底试制成功的航改型燃气轮机QC185为例，其热效率已达37％，功率17800kW，重量仅5.8t，对于国外先进国家，则技术指标更优。

发明内容

基于上述原因，本专利发明人提出了一种由航改型燃气轮机机车和类似当今电力机车组成的新型内重联机车，其一节装备燃气轮机发电机组等设备，其输出功率应大于内重联机车内各牵引电机额定功率之和；另一节采用类似当今的电力机车，但变压器容量至少翻倍，需负责本内重联机车内各牵引电机。该新型内重联机车一般不分离地作为货运机车使用，必须固定在一起才能牵引运行。当在电气化铁路上运行时，见图1、图2和图4，接触网11上的电流经过受电弓12、变压器2、主辅一体变流器3、隔离接触器4、本内重联机车内的各牵引电机20(一般为8台或12台，后述的燃电一体的单节6轴机车为6台，下同)，由牵引电机20牵引列车前进；当在非电气化铁路上运行时，见图1、图2和图5，燃气轮机发电机组6和7发电，电流再经过主辅一体变流器3、隔离接触器4、本内重联机车内的各牵引电机20，最后由牵引电机20牵引列车前进。其中，主辅一体变流器3、隔离接触器4、控制该主辅一体变流器3的微机控制系统5等共用，见图4和图5。对于隔离接触器4，当牵引电机为永磁同步电动机时才需采用。

本专利中的航改型燃气轮机机车部分，建议装备带有回热器和再烧技术的航改型燃气轮机、减速器(尽可能不采用，故本专利中没有画出)、高功率密度的三相交流发电机或永磁同步交流发电机、4台或6台牵引电机、燃料箱，与电力机车部分的4台或6台牵引电机，共用主辅一体变流器3、隔离接触器4、微机控制系统5等，至于电力机车部分，则与当今的主型内重联机车相似，也建议采用其当今先进技术。该内重联燃电一体机车为8轴或12轴双节式机车，前者见图1，后者见图2。

顺便补充说明一下，虽然柴油机发电机组也能给电力机车供电，但由于在相同功率条件下，一般来说柴油机的质量和体积是同等功率燃气轮机的3至5倍，鉴于机车的轴重和车厢内部容积，均限制了大功率内燃机车这种使用方式，国内外鲜见单节内燃机车的功率超过7000ph，而一般单节重载货运电力机车的功率在7200kW(约为9800ph)及以上如9600kW，且在低温或高原条件下的柴油机自身功率下降很大，自身难保，没有余力给电力机车满额供电。

由于电机及其控制技术的进步，建议本专利提到的各电机采用高功率密度、高可靠性的三相交流电机或永磁同步交流电机；对8台或12台牵引电机的控制，建议采用IGBT技术或更先进技术；对于牵引电机的牵引控制，建议采用轴控方式，这样可以提高粘着，尽量减少车轮打滑，同时，大功率永磁同步牵引电机也建议采用轴控。

对于燃气轮机6，必须通过额外动力设备辅助启动后才能正常工作。由于当今动力电池的功率密度和容量得到了极大地提高，由于发电机和电动机的可逆性，本专利中燃气轮机6的启动，建议通过动力电池8给燃气轮机发电机组中处于电动机状态的发电机7供电，启动燃气轮机6，该过程一般较短，有时只需几十秒，如同早年的柴油拖拉机需要人工手摇启动一样，再通过控制系统5停止动力电池给处于电动机状态的发电机7供电。此后，燃气轮机6正常工作后，发电机由电动机状态到发电机状态，燃气轮机6带动发电机7发电，发电中的主要部分带动各牵引电机和辅助电器部分，一部分再通过前述的主辅一体变流器3给动力电池8充电(在电气化铁路上时，则通过接触网经11受电弓12、变压器2和主辅变流器3等后给动力电池8充电)，动力电池8也给机车内部的部分电器设备供电，如微机控制系统5等。

本专利提出的燃气轮机6，其输出的轴功率应大于内重联内8台或12台牵引电机、机车上的各辅助供电功率的总和左右。以内重联12轴机车为例，即：2(C₀-C₀)，若每轴的牵引电机功率为1600kW，则机车的牵引总功率为19200kW，考虑效率传递条件，则燃气轮机的输出轴功率至少应在20000kW以上。以航改型燃气轮机QC185为例，其功率17800kW、重量仅5.8t推算，本专利机车的燃气轮机的重量推算不大于8t。为使热效率和可靠性进一步提高，可使机车采用的航改型燃气轮机、使其向一般工业型燃气轮机侧略偏靠一点，即使重量增加50％，也只有12t，完全在可接受的范围内，其重量和体积仍远小于相同功率的柴油机。而对于货运机车，必须要有一定的自重，因为牵引力等于粘着系数乘上自重，否则机车的车轮易空转和打滑。

本专利提出的与燃气轮机配套的发电机，为高功率密度的交流发电机或者永磁同步交流发电机，其中间尽量不使用减速器联接(但若确有困难，才使用减速器)，发电机7所发出的电流和频率通过主辅变流器3改变。燃气轮机的涡轮轴、减速器和发电机轴之间，建议均采用弹性联轴器联接，以减少各机械设备的振动传递和动应力。

本专利提出的燃气轮机6，其燃料可使用液化石油气、液化天然气和现在的内燃机车用柴油，即三种燃料或其中之二或其中之一。燃气轮机建议采用间冷、回热技术和再烧技术等先进技术，回热中的一部分还应使燃料的温度在一定范围内升高，以提高燃气轮机6的热效率。

本专利还有一种缩小版，当设备的额定功率减小后，相关设备的体积和重量会相应减小。由于航改型燃气轮机6功率大且功率密度高，体积和重量小，当设计时要求较小的牵引功率，可将两节内重联机车上缩小后的设备集成在一节加长型的机车上(如机车全长为24m左右)，此时，一般为6轴机车，即C₀-C₀形式。在牵引定数不大时，此加长型燃电一体单节机车增加了燃电一体式机车使用的灵活性和经济性，一般可具有5500t以上牵引定数的能力。当某区域内线路上的货运量较小，且不需要重载运输时，而所经过的区段既有电气化又有非电气化铁路时，该加长型燃电一体机车特别适用。适当减小该型机车的轴重和牵引功率，如轴重为18t至21t、功率为7500kW，仍采用C₀-C₀，另外设计的此型机车就适合牵引长度为18节左右拖车、运营时速160km左右的车列，可不用更换火机头，在我国或所在国大部分路网上运行，可提高列车的旅行速度，但燃气轮机发电机组还要负责后面拖车的空调和照明及自身的辅助等用电，此时燃气轮机发电机组的输出功率为9000kW左右。

对于上述燃电内重联机车和加长型燃电一体单节机车，轴重可在16t以上、甚至30t以上，根据客户需求的用途、使用环境和地理及最大坡度值条件进行设计。

当装备燃气轮机发电机组的机车在高原上运行时，虽由于高原上的含氧量小，使其功率有减小的倾向，但由于气压下降使燃气轮机的压气机所需的内需功率减小、且高原上一般温度相对较低，燃气轮机的功率增大，使其一年四季功率基本没有降低，还有可能增大，这大大优于内燃机车，据相关文献报道，某国产内燃机车在青藏铁路线上的功率下降达到25％以上。

本申请专利的优点：

本发明提出的一种由航改型燃气轮机机车和电力机车组成的新型内重联货运机车、缩小版的加长型燃电一体单节6轴机车等系列机车，保持了和谐系列内重联电力机车的优点，克服了电力机车和内燃机车的不足，可在我国或机车所在国路网范围内轨距相同的全线路上正常运行，具体优点表现如下：

①本发明的系列机车无论是高原还是平原、无论气温是低还是高、无论是电气化铁路还是非电气化铁路，除运输目的地不同外，不需要在从电气化铁路到非电气化铁路的相关站段解编、重编、缩编和“接驳”：在由电气化铁路前进至非电气化铁路前，可直接起动内重联机车中的燃气轮机发电机组，给机内的8台或12台牵引电机供电，继续前进，无需进入编组站；当从非电气化铁路到电气化铁路时，也不用给车列增加编组，再改由现有的内重联中电力机车的受电弓12从接触网11上取电，而是在非电气化的起点站就可实现满编和重载运输，到终点站均一直为重载运输，即直达重载，无需更换机车。这样，只要线路条件许可，全路网均可实现重载运输，极大地提高了运输效率，减少了重新编组和解编的作业量，同时也极大地减少了编组计划的编制工作量。如国内从西宁到拉萨，其中西宁至格尔木为电气化铁路，而格尔木至拉萨仍为非电气化铁路，且为高寒地带，该型机车就具有极大的优势。根据相关报道，俄罗斯铁路时常出现解编、重编、缩编和更换机车等情况。

②特别是在未来可能的战争时期，当牵引供电站和铁路接触网被敌方摧毁后，本发明的系列机车，可以很好地保证军用装备和人员的运输，保证国民经济的战时运输，本专利的系列机车具有的运能大、适应性强的特点，对保证战争胜利具有很大的作用和装备保障。

③当电气化接触网系统出现如2008年底的冰雪灾害时，本发明的系列机车具有很好的适应性。2008年底的冰雪灾害，造成南方相当多接触网挂冰，电力机车不能运行，而现在的地球时常出现极端天气。

④在和平时期和正常天气状况下，机车本身又没有过多的多余设备和功能，内重联机车和加长型燃电一体的6轴单节机车中的每个牵引电机20均发挥作用。

⑤对于部分设备缩小版的加长型燃电一体单节6轴机车，可适用于牵引定数相对较小的货运，其客运型则可在机车所在国范围内直达通行，无需更换机车。

⑥可以改变运输组织方式，例如：无论是货运还是客运的固定编组，沿途既有电气化也有非电气化铁路，可采用司机交路而不是机车交路的方式，换人不换机，机车可从起点站一直运行到终点站，这又极大地提高了铁路运输效率，且减小了成本。本专利为司机交路提供了技术条件和设备保证。

根据2017年底的网上数据，我国的电气化铁路的占比70％左右，但许多国家的铁路电气化率还很低，绝大部分国家没有达到50％：如美国为0.7％、加拿大为0.28％、俄罗斯为49.68％、印度为36.8％、澳大利亚为7.06％，其他大国如巴西和阿根廷也分别仅为3.97％和0.37％，英国不到35％、德国不到50％、日本不到75％。

电气化铁路的历史已有100多年，但在许多国家发展十分缓慢，如美国24万公里铁路中只有6000余公里的电气铁路。原因是电气化铁路初期投资很大，且各电器设备和接触网系统在使用过程中需要投入大量人力进行维护和更换，电气化和非电气化铁路各有优点，并将长期共存。当今航改型燃气轮机和高密度发电机已获得长足的发展，本发明的系列机车有可能完全取代并逐渐淘汰当今的内燃机车，并可能最终同全电力机车并列为未来的2种主型机车。

通过网上查询，国外现在还没有本发明提出的系列机车，可以增加我国的铁路机车对外出口，提升我国对铁路运输装备的贡献度和知名度。

本发明并没有对本专利的内重联机车进行具体的结构设计或具体的结构方案设计，本发明只是提出了系列新创意和根据当前的相关技术发展提出了总体方案。除权利要求书中所述外，至于航改型燃气轮机本身、航改型燃气轮机机车部分、类似当今电力机车、微机控制系统等等一切，发明人只是根据当今的新技术提出了可能的技术方案。除权利要求书中提到的权利要求外，发明人并没有要求保护文中提到的该部分技术方案，这也不是发明人的专业和特长，图1至图5就是采用简略的示意图，所以文中都是“建议”二字，有更好的具体方案就不用采用文中的方案。发明人提出的系列机车方案，非常复杂，若真正能达到实用，需许许多多的专业和科技人员参与才能实现。但本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范畴，倘若这些改动或变形属于本发明的权利要求和等同技术范围内，则本发明也意图包含这些改动或变形。

附图说明：

图1：一种8轴由航改型燃气轮机机车和电力机车组成的新型内重联机车示意图。

图2：一种12轴由航改型燃气轮机机车和电力机车组成的新型内重联机车示意图。

图3：一种加长型燃电一体6轴单节机车示意图。

图4：在电气化铁路上的牵引电流流向图。

图5：在非电气化铁路上的牵引电流流向图。

其中：1.电力机车；2.变压器；3.主辅一体变流器；4.隔离接触器；5.微机和控制系统；6.航改型燃气轮机；7.发电机；8.动力电池；9.油箱；10.燃气轮机机车；11.接触网；12.受电弓；20.各牵引电机；101：加长型燃电一体6轴单节机车。

具体实施方式：

本专利提出的由航改型燃气轮机机车和电力机车组成的新型内重联机车可以是8轴或12轴，前者如图1，后者图2。对于具体实施方式，这里以8轴内重联机车图1为例进行说明：①当由航改型燃气轮机机车和电力机车组成的新型内重联货运机车在电气化铁路上时，升起受电弓12，受电弓12从接触网11上取电，电流经变压器2到主辅一体变流器3，隔离接触器4、微机和控制系统5再到牵引电机20，将司机手柄置于前进档位，机车前进；②当机车在非电气化铁路上时，首先通过微机控制系统5使动力电池8给处于电动机状态的发电机7供电，此时电机7带动燃气轮机6运转，燃油系统同时给燃气轮机供油，当油气混合后正常燃烧、并使燃气轮机6正常运转后，通过控制系统5切断动力电池8给予发电机7的供电，此后燃气轮机6带动发电机7发电，燃气轮机发电机组开始正常工作，电流流至主辅一体变流器3，隔离接触器4、再流至各牵引电机20，将司机手柄置于前进档位，机车前进。

对于本发明的由航改型燃气轮机机车和电力机车组成的新型内重联12轴机车和加长型燃电一体单节6轴机车，使用方式与前述类似，这里不再赘述。

Claims (3)

1.一种由航改型燃气轮机机车和电力机车组成的新型内重联机车，其中一节装备航改型燃气轮机发电机组等设备，其输出功率大于内重联机车各牵引电机的功率之和；另一节采用类似当今的电力机车，其变压器需负责内重联机车各牵引电机等的供电；该新型内重联机车一般不分离地作为货运机车使用，一般条件下必须固定在一起才能牵引运行；当在电气化铁路上运行时，接触网上的电流经受电弓受流，再经由变压器、主辅一体变流器、隔离接触器、内重联机车内的各牵引电机，由各牵引电机一起驱动和牵引列车前进；当在非电气化铁路上运行时，航改型燃气轮机发电机组发电，电流再经过主辅一体变流器、隔离接触器、内重联机车内的各牵引电机，由各牵引电机一起牵引列车前进；其中，主辅一体变流器、隔离接触器、微机控制系统等共用。

2.基于权利要求1，当要求作为牵引定数相对权利要求1的相对较小、例如列车载重为5500t左右的货运机车时，可设计为将两节内重联机车上缩小后的设备集成在一节加长型燃电一体的6轴单节机车上。

3.基于权利要求1和2，当要求作为客运机车、例如牵引定数为18节左右拖车时，可设计为将两节内重联机车上缩小后的设备集成在一节加长型燃电一体的6轴单节机车上。

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