RU2284932C1

RU2284932C1 - Nuclear gas-turbine locomotive

Info

Publication number: RU2284932C1
Application number: RU2005108774/11A
Authority: RU
Inventors: Борис Давидович Фишбейн (RU); Борис Давидович Фишбейн; Генрих Моисеевич Горелов (RU); Генрих Моисеевич Горелов
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-10

Abstract

FIELD: railway transport; railway vehicles.

SUBSTANCE: proposed nuclear gas-turbine locomotive contains reactor section 1 and at least one gas0turbine section 5. Air distributor with controlled regulating gate is installed additionally behind compressor of gas-turbine engine, being connected with compressor output. Axial channel connected with combustion chamber input, and side channel are made in housing of air distributor. Heat exchanger of second circuit is connected with heat exchanger of first circuit by pipeline with compensation tank and pump of heat carrier circulation line and it is installed in housing of turbo-generator section. Air line input of heat exchanger is connected with side channel of air distributor housing, and output of air line of said heat exchanger is connected with space of combustion chamber.

EFFECT: simplified design, facilitated servicing, improved reliability.

3 cl, 1 tbl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано в составе грузовых и пассажирских поездов на территориях Севера и Сибири.The invention relates to railway transport and can be used as part of freight and passenger trains in the North and Siberia.

Известно устройство газотурбинного локомотива, в котором энергетическая установка включает в себя газотурбинный двигатель с входным и выходным устройствами, системами запуска, автоматического регулирования, подачи топлива из топливного бака в камеру сгорания газотурбинного двигателя, соединенного через редуктор с тяговым генератором, который через устройства и приборы линии электропитания соединен с тяговыми электродвигателями на ведущих осях тележек локомотива [Шнеэ Я.И. Газовые турбины. - М.: Машгиз, 1960. - 506 с. (на стр.496-503)].A device for a gas turbine locomotive is known, in which the power plant includes a gas turbine engine with input and output devices, start-up systems, automatic control, fuel supply from the fuel tank to the combustion chamber of the gas turbine engine, connected through a gearbox to the traction generator, which through devices and devices of the line the power supply is connected to the traction motors on the driving axles of the locomotive trolleys [Shnee Ya.I. Gas turbines. - M .: Mashgiz, 1960 .-- 506 p. (on pages 466-503)].

К недостаткам известного устройства относятся небольшой объем топливного бака, большой километровый расход топлива, частая экипировка топливом, небольшая дальность пробега после экипировки.The disadvantages of the known device include a small fuel tank, a large kilometer fuel consumption, frequent fuel equipment, short range after equipment.

Известно устройство атомного турбокомпрессорного локомотива, в котором энергетическая установка включает в себя атомный реактор в качестве источника тепловой энергии с жидкометаллическим теплоносителем, воздушный турбокомпрессорный двигатель, теплообменники, тяговый генератор, электрическую передачу, тяговые электродвигатели [Локомотивные энергетические установки: Учебник для вузов железнодорожного транспорта. / А.И.Володин, В.З.Зюбанов, В.Д.Кузьмич и др.; Под ред. А.И.Володина. М.: ИПК «Желдориздат», 2002. - 718 с. (на стр.7-8, 703-705)].A device of an atomic turbocompressor locomotive is known, in which a power plant includes an atomic reactor as a heat source with a liquid metal coolant, an air turbocompressor engine, heat exchangers, a traction generator, electric transmission, traction motors [Locomotive power plants: Textbook for universities of railway transport. / A.I. Volodin, V.Z. Zyubanov, V.D. Kuzmich and others; Ed. A.I. Volodina. M .: IPK Zheldorizdat, 2002. - 718 p. (on pages 7-8, 703-705)].

К недостаткам известного устройства относятся отсутствие камеры сгорания и невозможность привода тягового генератора за счет энергии сжигания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя, низкая скорость изменения тепловыделения и мощности атомного реактора, большие потери полного давления воздуха при большой длине трубопроводов, соединяющих воздушный турбокомпрессорный двигатель турбогенераторной секции и теплообменник второго контура реакторной секции, что ухудшает экономичность энергетической установки.The disadvantages of the known device include the lack of a combustion chamber and the inability to drive a traction generator due to the energy of burning fuel in the combustion chamber of a gas turbine engine, the low rate of change of heat generation and power of a nuclear reactor, large losses of total air pressure with a large length of pipelines connecting the air turbo-compressor engine of the turbogenerator section and the heat exchanger of the second circuit of the reactor section, which affects the efficiency of the power plant.

Данное решение выбрано авторами в качестве прототипа.This solution is selected by the authors as a prototype.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, упрощение технического обслуживания, повышение надежности и улучшение приемистости.The technical result of the invention is to simplify the design, simplify maintenance, increase reliability and improve throttle response.

Технический результат достигается тем, что в атомном газотурбинном локомотиве, содержащем не менее двух отдельных секций, включающих в себя кузов с рамой, ходовую часть с тяговыми электродвигателями на осях тележек, тормозную систему, подключенную к источнику сжатого воздуха, из которых одна секция реакторная, содержащая атомный реактор с активной зоной, корпусом в качестве тяжелой защиты, отражателем, регулирующими барабанами с электроприводами, теплообменники первого контура, трубопроводы прокачки жидкометаллического теплоносителя с компенсационными емкостями и электроприводными циркуляционными насосами, элементы легкой зашиты, агрегаты системы физического пуска атомного реактора, агрегаты системы автоматического регулирования, и подключенная к теплообменникам второго контура по линиям теплоносителя теплообменников первого контура, а остальные секции турбогенераторные, содержащие тяговый генератор, электрическую передачу, не менее чем один газотурбинный двигатель, соединенный выводным валом с валом тягового генератора, включающий в себя компрессор, камеру сгорания, турбину и снабженный воздухозаборником с воздухоочистителем, выходным устройством, топливным баком, системой подачи топлива из бака в камеру сгорания, агрегатами системы запуска, агрегатами системы регулирования, за компрессором газотурбинного двигателя установлен воздухораспределитель с управляемой регулирующей заслонкой и соединен с выходом из компрессора, причем в корпусе воздухораспределителя выполнен осевой канал, который соединен с входом в камеру сгорания, и боковой канал, а теплообменник второго контура соединен с теплообменником первого контура трубопроводом с компенсационной емкостью и электроприводным циркуляционным насосом линии прокачки теплоносителя и установлен в кузове турбогенераторной секции, причем вход в этот теплообменник по линии воздуха соединен с боковым каналом, а выход из этого теплообменника по линии воздуха соединен с полостью камеры сгорания. Компенсационная емкость и электроприводной циркуляционный насос линии прокачки жидкометаллического теплоносителя через теплообменник второго контура установлены в кузове турбогенераторной секции. Величина теплоотвода от атомного реактора через теплообменник второго контура при прокачке теплоносителя определена делением величины тепловыделения атомного реактора на число турбогенераторных секций и число газотурбинных двигателей в одной турбогенераторной секции и умножением на коэффициент эффективности теплообменной системы.The technical result is achieved in that in an atomic gas turbine locomotive containing at least two separate sections, including a body with a frame, a chassis with traction motors on the axles of the bogies, a brake system connected to a source of compressed air, of which one reactor section containing nuclear reactor with a core, a body as a heavy shield, a reflector, control drums with electric drives, primary heat exchangers, liquid metal coolant pumping pipelines with compensation tanks and electric drive circulation pumps, elements of easy protection, units of the physical start-up system of the nuclear reactor, units of the automatic control system, and connected to the heat exchangers of the second circuit through the heat transfer lines of the heat exchangers of the primary circuit, and the remaining sections are turbogenerator, containing a traction generator, an electric transmission, not less than one gas turbine engine connected by the output shaft to the shaft of the traction generator, including a compressor, a chamber combustion, turbine and equipped with an air intake with an air purifier, an output device, a fuel tank, a fuel supply system from the tank to the combustion chamber, starting system units, control system units, an air distributor with a controlled control damper is installed behind the gas turbine engine compressor and connected to the compressor outlet, and an axial channel is made in the air distributor housing, which is connected to the entrance to the combustion chamber, and a side channel, and the heat exchanger of the second circuit is connected a heat exchanger conduit of the first circuit with the compensating container and electrically operated circulating pump and pumping coolant line mounted in the body section of the turbine generator, wherein the entrance to the heat exchanger of the air line is connected to a side channel, and the output of this heat exchanger on the air line is connected with the cavity of the combustion chamber. The compensation tank and the electric drive circulating pump for the liquid metal coolant pumping line through the heat exchanger of the second circuit are installed in the body of the turbogenerator section. The heat removal from the nuclear reactor through the second-circuit heat exchanger during the pumping of the coolant is determined by dividing the heat release of the nuclear reactor by the number of turbine-generating sections and the number of gas-turbine engines in one turbine-generating section and multiplying by the coefficient of efficiency of the heat-exchange system.

Когда управляемая регулирующая заслонка перекрывает осевой канал в корпусе воздухораспределителя, весь воздух из компрессора проходит через теплообменник второго контура, а когда эта заслонка перекрывает боковой канал, весь воздух проходит через камеру сгорания. Указанные положения управляемой регулирующей заслонки обеспечивают возможность раздельной работы атомного реактора или камеры сгорания в качестве источников тепловой энергии. Это упрощает конструкцию, повышает надежность.When the controlled control flap closes the axial channel in the air distributor housing, all the air from the compressor passes through the heat exchanger of the second circuit, and when this flap closes the side channel, all the air passes through the combustion chamber. The indicated positions of the controlled control flap provide the possibility of separate operation of a nuclear reactor or combustion chamber as sources of thermal energy. This simplifies the design, increases reliability.

Промежуточные положения управляемой регулирующей заслонки обеспечивают два параллельных потока воздуха через теплообменник второго контура и через камеру сгорания. Расходы воздуха обоих потоков обратно пропорциональны гидравлическим сопротивлениям в них. В результате атомный реактор и камера сгорания могут работать параллельно на всех режимах с управляемым распределением выделяемой тепловой энергии, что повышает надежность и улучшает приемистость.The intermediate positions of the controlled control flap provide two parallel air flows through the heat exchanger of the second circuit and through the combustion chamber. The air flow rates of both flows are inversely proportional to the hydraulic resistances in them. As a result, the nuclear reactor and the combustion chamber can operate in parallel in all modes with a controlled distribution of the released heat energy, which increases reliability and improves throttle response.

Размещение теплообменника второго контура в турбогенераторной секции уменьшает длину и сопротивление трубопроводов, соединяющих этот теплообменник с газотурбинным двигателем по линии воздуха. Это упрощает техническое обслуживание теплообменника и повышает экономичность энергетической установки.Placing the heat exchanger of the second circuit in the turbogenerator section reduces the length and resistance of the pipelines connecting this heat exchanger to the gas turbine engine through the air line. This simplifies the maintenance of the heat exchanger and increases the efficiency of the power plant.

Размещение компенсационной емкости и электроприводного циркуляционного насоса линии прокачки теплоносителя через теплообменник второго контура в кузове турбогенераторной секции упрощает техническое обслуживание, повышает надежность.The placement of the compensation tank and the electric drive circulation pump of the coolant pumping line through the second circuit heat exchanger in the body of the turbogenerator section simplifies maintenance and increases reliability.

Определение величины теплоотвода от атомного реактора через теплообменник второго контура при прокачке теплоносителя делением величины тепловыделения атомного реактора на число турбогенераторных секций повышает надежность, улучшает приемистость благодаря рациональному выбору площади теплообмена.Determining the amount of heat removal from the nuclear reactor through the second-circuit heat exchanger during the pumping of the coolant by dividing the amount of heat generated by the nuclear reactor by the number of turbine-generating sections increases reliability and improves pick-up due to the rational choice of the heat transfer area.

На фиг.1 - общий вид варианта атомного газотурбинного локомотива с одной реакторной и двумя турбогенераторными секциями; на фиг.2 - схематический продольный разрез турбогенераторной секции; на фиг.3 - схематический продольный разрез энергетической установки реакторной секции; на фиг.4 - сечение А-А атомного реактора по фиг.3.Figure 1 is a General view of a variant of a nuclear gas turbine locomotive with one reactor and two turbogenerator sections; figure 2 is a schematic longitudinal section of a turbogenerator section; figure 3 is a schematic longitudinal section of a power plant reactor section; figure 4 is a section aa of the nuclear reactor of figure 3.

Атомный газотурбинный локомотив имеет реакторную секцию 1 с кузовом 2 на раме 3 и тележками 4 ходовой части, турбогенераторные секции 5 с кузовом 6 на раме 7 и тележками 8 ходовой части, тяговые электродвигатели 9, элементы 10, 11, 12, 13 тормозной системы, воздушные резервуары 14 с обратными клапанами 15, трубопроводами 16 подсоединения к источнику сжатого воздуха, трубопроводами 17 с рабочими клапанами 18 подсоединения к воздушной тормозной магистрали поезда, топливные баки 19 для углеводородного топлива (керосин, дизельное топливо и др.), воздухозаборники 20 с воздухоочистителем 21, выходные устройства 22, систему 23 отбора сжатого воздуха из компрессора.The nuclear gas-turbine locomotive has a reactor section 1 with a body 2 on a frame 3 and undercarriage trolleys 4, turbine-generating sections 5 with a body 6 on a frame 7 and undercarriage trolleys 8, traction motors 9, braking system elements 10, 11, 12, 13, air reservoirs 14 with non-return valves 15, pipelines 16 connecting to a source of compressed air, pipelines 17 with operating valves 18 connecting to an air brake line of a train, fuel tanks 19 for hydrocarbon fuel (kerosene, diesel fuel, etc.), air intake ki 20 to an air cleaner 21, output device 22, selection system 23, compressed air from the compressor.

Газотурбинный двигатель 24 турбогенераторной секции 5 на раме 25 с узлами крепления 26 к раме 7 содержит компрессор 27, воздухораспределитель 28 с корпусом 29, осевым каналом 30, боковым каналом 31, управляемой регулирующей заслонкой 32, камеру сгорания 33, турбину 34 с выводным валом 35, систему 36 подачи топлива из бака 19 в камеру сгорания 33, агрегаты 37 системы запуска, агрегаты 38 системы автоматического регулирования, опоры 39 и 40, трубопровод 41 соединения бокового канала 31 с входом в теплообменник 42 второго контура по линии воздуха, трубопровод 43 соединения выхода из теплообменника 42 по линии воздуха с полостью камеры сгорания 33, трубопровод 44 и трубопровод 45 прокачки жидкометаллического теплоносителя 46 (например, натрий или сплав натрия и калия с температурой плавления минус 11°С), подсоединенные к теплообменнику 42 второго контура. Линия прокачки теплоносителя 46 содержит компенсационную емкость 47 с электроприводом 48 циркуляционного насоса 49, трубопровод 50 выхода теплоносителя из теплообменников первого контура, металлические сильфоны 51 в линиях трубопроводов 44 и 50.The gas turbine engine 24 of the turbogenerator section 5 on the frame 25 with attachment points 26 to the frame 7 contains a compressor 27, an air distributor 28 with a housing 29, an axial channel 30, a side channel 31 controlled by a control flap 32, a combustion chamber 33, a turbine 34 with an output shaft 35, system 36 for supplying fuel from the tank 19 to the combustion chamber 33, units 37 of the start-up system, units 38 of the automatic control system, supports 39 and 40, pipe 41 connecting the side channel 31 to the inlet to the heat exchanger 42 of the second circuit through an air line, pipe 43 connecting Nia exiting the heat exchanger 42 through the air line to the cavity combustion chamber 33, conduit 44 and conduit 45 pumping of liquid metal coolant 46 (e.g., sodium or sodium potassium alloy with a melting point minus 11 ° C), connected to the heat exchanger 42 of the second circuit. The coolant pumping line 46 contains a compensation tank 47 with an electric drive 48 of the circulation pump 49, a pipe 50 for the exit of the coolant from the primary heat exchangers, metal bellows 51 in the piping lines 44 and 50.

Тяговый генератор 52 соединен валом 53 с выводным валом 35 турбины 34 и по линии электропитания с аппаратурой 54 электрической передачи.The traction generator 52 is connected by a shaft 53 with the output shaft 35 of the turbine 34 and along the power line with electrical transmission equipment 54.

Энергетическая установка реакторной секции 1 содержит атомный реактор 55 с активной зоной, корпус 56 в качестве тяжелой защиты (например, сталь), отражатель 57, регулирующие барабаны 58 с электроприводами 59 и нанесенными на поверхности барабанов слоем 60 поглощающего материала и слоем 61 отражающего материала, элементы 62 легкой защиты (например гидриды легких металлов), агрегаты 63 системы физического пуска атомного реактора 55, агрегаты 64 системы автоматического регулирования, теплообменники 65 первого контура, трубопроводы 66 подсоединения теплообменников 65 к входу теплоносителя 46 в атомный реактор 55. Линии прокачки теплоносителя 46 через атомный реактор 55 и теплообменники 65 первого контура содержат трубопроводы 67, компенсационную емкость 68 с электроприводом 69 циркуляционного насоса 70, трубопроводы 71 подсоединения к выходу теплоносителя 46 из атомного реактора 55.The power plant of the reactor section 1 contains an atomic reactor 55 with an active zone, a housing 56 as a heavy protection (for example, steel), a reflector 57, control drums 58 with electric drives 59 and a layer 60 of absorbing material and a layer 61 of reflective material deposited on the surface of the drums, elements 62 light protection (e.g. hydrides of light metals), units 63 of the physical start-up system of a nuclear reactor 55, units 64 of an automatic control system, heat exchangers 65 of the primary circuit, pipelines 66 connecting heat exchangers 65 to the inlet of the coolant 46 to the nuclear reactor 55. The lines for pumping the coolant 46 through the nuclear reactor 55 and the heat exchangers 65 of the first circuit include piping 67, a compensation tank 68 with an electric drive 69 of the circulation pump 70, pipelines 71 connecting to the outlet of the coolant 46 from the nuclear reactor 55.

Движение атомного газотурбинного локомотива, работа энергетической установки реакторной и турбогенераторной секций на основных режимах, работа тормозной системы и останов локомотива происходят следующим образом.The movement of an atomic gas-turbine locomotive, the operation of the power plant of the reactor and turbogenerator sections in the main modes, the operation of the brake system and the shutdown of the locomotive occur as follows.

При помощи агрегатов 63 системы физического пуска атомного реактора 55, теплообменников 65 первого контура, теплообменников 42 второго контура, линий прокачки жидкометаллического теплоносителя 46 по трубопроводам 44, 45, 50 через циркуляционные насосы 49, 70 с электроприводами 48, 69 соответственно, агрегатов 37 системы запуска газотурбинного двигателя 24, трубопроводов 41, 43 линии воздуха происходит вывод энергетической установки на режим холостого хода как минимальный установившийся, на котором обеспечиваются потребные потоки воздуха и энергии.Using units 63 of the physical start-up system of the nuclear reactor 55, heat exchangers 65 of the first circuit, heat exchangers 42 of the second circuit, and lines for pumping the liquid metal coolant 46 through pipelines 44, 45, 50 through circulation pumps 49, 70 with electric drives 48, 69, respectively, units 37 of the start-up system of the gas turbine engine 24, pipelines 41, 43 of the air line, the power plant is brought to idle as the minimum steady state, on which the required air and energy flows are provided.

При работе на длительном установившемся режиме в диапазоне от режима холостого хода до номинального включительно с использованием атомного реактора 55 в качестве источника тепловой энергии воздух из атмосферы (фиг.1, фиг.2) поступает в воздухозаборник 20, очищается от пыли и мелких посторонних предметов воздухоочистителем 21 и направляется в компрессор 27, где повышается полное давление воздуха. Далее воздух проходит внутрь корпуса 29 воздухораспределителя 28.When working in a long steady state in the range from idle to nominal inclusive using an atomic reactor 55 as a source of thermal energy, air from the atmosphere (Fig. 1, Fig. 2) enters the air intake 20, is cleaned of dust and small foreign objects by the air cleaner 21 and goes to the compressor 27, where the total air pressure rises. Next, the air passes into the housing 29 of the air distributor 28.

Часть воздуха из компрессора 27 отбирается системой 23 отбора сжатого воздуха и по трубопроводам 16 через обратные клапаны 15 подается на зарядку воздушных резервуаров 14, откуда по трубопроводам 17 через рабочие клапаны 18 воздух при необходимости поступает в тормозную систему локомотива и воздушную магистраль поезда.Part of the air from the compressor 27 is taken off by the compressed air sampling system 23 and through the pipelines 16 through the check valves 15 is supplied to charge the air tanks 14, from where through the pipelines 17 through the working valves 18 the air, if necessary, enters the braking system of the locomotive and the air line of the train.

Управляемая регулирующая заслонка 32 устанавливается в положение, когда она перекрывает вход воздуха в осевой канал 30 корпуса 29 и в выключенную камеру сгорания 33, а через боковой канал 31 корпуса 29 воздух поступает по трубопроводу 41 в линию воздуха теплообменника 42 второго контура, где нагревается жидкометаллическим теплоносителем 46. Горячий теплоноситель 46 поступает в теплообменник 42 по трубопроводу 45 благодаря энергии циркуляционного насоса 49 с электроприводом 48. Причем на вход в насос 49 теплоноситель 46 поступает из теплообменника 65 первого контура по трубопроводу 50 с сильфоном 51, который обеспечивает выполнение требований к линии прокачки при прохождении тележками 4 и 8 кривых рельсового пути. В теплообменник 65 первого контура теплоноситель 46 подается циркуляционным насосом 70 с электроприводом 69, а вход в насос 70 соединен трубопроводом 71 с выходом из активной зоны атомного реактора 55, где теплоноситель 46 нагревается до заданной температуры благодаря тепловыделению при осуществлении управляемой цепной реакции деления тяжелых ядер ядерного горючего. После передачи теплоты воздуху в теплообменнике 42 второго контура теплоноситель 46 по трубопроводу 44 с сильфоном 51 возвращается (фиг.2) в теплообменник 65 первого контура (фиг.3) для нового цикла подогрева. Через теплообменник 65 насосом 70 по трубопроводу 66 прокачивается другая часть теплоносителя 46 на вход в активную зону атомного реактора 55 для нового цикла подогрева. Изменения объема теплоносителя 46 в линиях прокачки при работе энергетической установки обеспечиваются компенсационными емкостями 47 и 68.The controlled control damper 32 is set to the position where it blocks the air inlet into the axial channel 30 of the housing 29 and into the switched off combustion chamber 33, and through the lateral channel 31 of the housing 29, air enters through the pipe 41 into the air line of the heat exchanger 42 of the second circuit, where it is heated by a liquid metal coolant 46. The hot heat carrier 46 enters the heat exchanger 42 through the pipe 45 due to the energy of the circulation pump 49 with electric drive 48. Moreover, the heat carrier 46 enters the pump 49 from the heat exchanger 65 ne Vågå circuit via line 50 to bellows 51, which provides the requirements for the blow line at passage of trolleys 4 and 8 of the track curves. In the primary heat exchanger 65, the coolant 46 is supplied by a circulation pump 70 with an electric drive 69, and the inlet to the pump 70 is connected by a pipe 71 to the outlet of the active zone of the nuclear reactor 55, where the coolant 46 is heated to a predetermined temperature due to heat generation during a controlled chain reaction of fission of heavy nuclear fuel. After the transfer of heat to air in the heat exchanger 42 of the second circuit, the coolant 46 through the pipe 44 with the bellows 51 is returned (figure 2) to the heat exchanger 65 of the first circuit (figure 3) for a new heating cycle. Through the heat exchanger 65, the pump 70 through the pipe 66 pumps another part of the coolant 46 to the entrance to the active zone of the nuclear reactor 55 for a new heating cycle. Changes in the volume of coolant 46 in the pumping lines during operation of the power plant are provided by compensation tanks 47 and 68.

Воздух, нагретый в теплообменнике 42 второго контура подается по трубопроводу 43 в полость камеры сгорания 33 и далее в турбину 34, где совершает работу расширения, а затем через выходное устройство 22 выбрасывается в атмосферу.The air heated in the heat exchanger 42 of the second circuit is supplied through a pipe 43 to the cavity of the combustion chamber 33 and then to the turbine 34, where it performs the expansion work, and then is discharged through the outlet device 22 into the atmosphere.

Возникающие в газотурбинном двигателе 24 осевые силы и крутящие моменты передаются на опоры 39 и 40, а через раму 25, узлы крепления 26 на раму 7 турбогенераторной секции 5. Полученный на выводном валу 35 двигателя 24 крутящий момент передается через вал 53 тяговому генератору 52, который вырабатывает электрический ток, передаваемый с помощью агрегатов 54 электрической передачи по линиям электропитания к тяговым электродвигателям 9, приводящим во вращение оси тележек 4 и 8. При взаимодействии колес этих тележек и рельсов создается сила тяги, благодаря которой осуществляется движение локомотива с определенной скоростью.The axial forces and torques arising in the gas turbine engine 24 are transmitted to the bearings 39 and 40, and through the frame 25, the attachment points 26 to the frame 7 of the turbogenerator section 5. The torque obtained on the output shaft 35 of the engine 24 is transmitted through the shaft 53 to the traction generator 52, which generates an electric current transmitted by electric transmission units 54 through power lines to the traction motors 9, which rotate the axles of the bogies 4 and 8. When the wheels of these bogies and rails interact, traction is generated due to which the locomotive moves at a certain speed.

Поддержание заданного режима работы энергетической установки обеспечивается агрегатами 64 системы автоматического регулирования. При этом величина Q_АР тепловыделения атомного реактора 55 определяется реализуемой величиной коэффициента размножения нейтронов. Величину этого коэффициента или его значение, равное 1, устанавливает отражатель 57 и положение слоя 60 поглощающего материала, слоя 61 отражающего материала, нанесенных на поверхности регулирующих барабанов 58 с электроприводами 59, относительно центра активной зоны (фиг.3, фиг.4). Увеличение общей поверхности отражения, обращенной к центру активной зоны, увеличивает коэффициент размножения нейтронов, интенсифицирует цепную реакцию деления тяжелых ядер и повышает величину Q_АР тепловыделения. Величина Q_АРраспределяется прокачкой теплоносителя 46 между теплообменниками 42 второго контура согласно выражению:Maintaining a given operating mode of a power plant is provided by units 64 of an automatic control system. In this case, the value of Q _AR heat release of the nuclear reactor 55 is determined by the realized value of the neutron multiplication coefficient. The value of this coefficient or its value equal to 1, sets the reflector 57 and the position of the layer 60 of absorbing material, layer 61 of reflective material deposited on the surface of the control drums 58 with electric drives 59, relative to the center of the active zone (Fig.3, Fig.4). Increasing the total reflection surface, facing the center of the core, the neutron multiplication factor increases, intensifies the chain reaction of fission of heavy nuclei and increases the quantity of heat Q _AR. The value of Q _{AR is} distributed by pumping the coolant 46 between the heat exchangers 42 of the second circuit according to the expression:

где Q_TOII - величина теплоотвода от атомного реактора через один теплообменник второго контура при прокачке теплоносителя;where Q _TOII - the amount of heat from the nuclear reactor through one heat exchanger of the second circuit when pumping the coolant;

Q_AP - величина тепловыделения атомного реактора;Q _AP - the amount of heat generated by an atomic reactor;

n₁ - количество турбогенераторных секций локомотива;n ₁ - the number of turbogenerator sections of the locomotive;

n₂ - количество газотурбинных двигателей в одной турбогенераторной секции;n ₂ is the number of gas turbine engines in one turbogenerator section;

β - коэффициент эффективности теплообменной системы.β is the coefficient of efficiency of the heat exchange system.

Это позволяет рационально определить площадь теплопередающей поверхности теплообменников 42 второго контура и выбрать размер газотурбинного двигателя 24.This allows you to rationally determine the area of the heat transfer surface of the heat exchangers 42 of the second circuit and select the size of the gas turbine engine 24.

Изменение величины Q_AP и изменение режима работы энергетической установки выполняется соответствующим поворотом регулирующих барабанов 58.Changing the value of Q _AP and changing the operating mode of the power plant is performed by the corresponding rotation of the control drums 58.

Процесс деления тяжелых ядер в активной зоне сопровождается испусканием проникающего ионизирующего излучения в виде потока нейтронов и γ-квантов. Заметная часть энергии, освободившейся при делении тяжелых ядер, уносится этим проникающим излучением за пределы активной зоны. Отсюда возникает необходимость применения биологической защиты, обеспечивающей радиационную безопасность работающего атомного реактора для персонала и оборудования. Эту функцию выполняет корпус 56 из металла (например, сталь) в качестве тяжелой защиты и элементы 62 легкой защиты (например, гидриды легких металлов).The process of fission of heavy nuclei in the core is accompanied by the emission of penetrating ionizing radiation in the form of a neutron flux and γ-quanta. A noticeable part of the energy released during the fission of heavy nuclei is carried away by this penetrating radiation outside the core. Hence the need arises for the application of biological protection, which ensures the radiation safety of a working nuclear reactor for personnel and equipment. This function is performed by a metal casing 56 (for example, steel) as heavy protection and light protection elements 62 (for example, light metal hydrides).

Для торможения локомотива сжатым воздухом тормозной системы приводятся в действие элементы 10, 11, 12, 13 тормозной системы. При взаимодействии элементов 11 (тормозные колодки) с колесами тележек 4 и 8 возникает тормозная сила, приводящая к остановке локомотива.To brake the locomotive with compressed air of the brake system, the elements 10, 11, 12, 13 of the brake system are driven. When the elements 11 (brake pads) interact with the wheels of the bogies 4 and 8, a braking force arises leading to the stop of the locomotive.

В этом случае режим работы атомного реактора 55 должен быть уменьшен до величины остаточного тепловыделения.In this case, the operating mode of the atomic reactor 55 should be reduced to the amount of residual heat.

Для этого регулирующие барабаны 58 поворачивается так, чтобы слои 60 поглощающего материала (фиг.4) были обращены к центру активной зоны. Коэффициент размножения нейтронов становится меньше 1,0 и тепловыделение уменьшается до уровня остаточного. Снятие остаточного тепловыделения или «расхолаживание» атомного реактора 55 производится продувкой воздушной линии теплообменника 42 второго контура воздухом из компрессора 27, поступающим по трубопроводу 41 и сбрасываемым по трубопроводу 43 в камеру сгорания 33. Управляемая регулирующая заслонка 32 занимает промежуточное положение, и часть воздуха из компрессора 27 через осевое окно 30 корпуса 29 воздухораспределителя 28 поступает во включенную камеру сгорания 33. Топливо в камеру сгорания 33 подается системой подачи 36 из бака 19. Параллельная работа атомного реактора 55 и камеры сгорания 33 приводит к образованию смеси воздуха и продуктов сгорания топлива в воздухе, которая поступает в турбину 34, приводящую во вращение компрессор 27 и тяговый генератор 52, а затем через выходное устройство 22 выбрасывается в атмосферу. Увеличение расхода топлива, подаваемого из бака 19 системой 36 подачи топлива в камеру сгорания 33, увеличивает режим работы газотурбинного двигателя 24 до номинального режима работы тягового генератора 52, что обеспечивает движение локомотива. При этом сохраняется режим «расхолаживания» атомного реактора 55, обеспечивается высокая приемистость газотурбинного двигателя и нормальная работа элементов тормозной системы.For this, the control drums 58 are rotated so that the layers 60 of absorbent material (Fig. 4) are facing the center of the core. The neutron multiplication coefficient becomes less than 1.0 and the heat release decreases to the residual level. Removing residual heat or "cooling" the nuclear reactor 55 is performed by blowing the air line of the heat exchanger 42 of the second circuit with air from the compressor 27 entering through the pipe 41 and discharged through the pipe 43 into the combustion chamber 33. The controlled control flap 32 occupies an intermediate position, and part of the air from the compressor 27 through the axial window 30 of the housing 29 of the air distributor 28 enters the included combustion chamber 33. Fuel is supplied to the combustion chamber 33 by a feed system 36 from the tank 19. Parallel operation the bot of the nuclear reactor 55 and the combustion chamber 33 leads to the formation of a mixture of air and combustion products of fuel in the air, which enters the turbine 34, which rotates the compressor 27 and the traction generator 52, and then through the output device 22 is released into the atmosphere. The increase in fuel flow supplied from the tank 19 by the fuel supply system 36 to the combustion chamber 33 increases the operating mode of the gas turbine engine 24 to the nominal operating mode of the traction generator 52, which provides locomotive movement. At the same time, the “cooldown” mode of the nuclear reactor 55 is maintained, and a high throttle response of the gas turbine engine and normal operation of the braking system elements are ensured.

Работа энергетической установки с использованием на длительном установившемся режиме только камеры сгорания в качестве источника тепловой энергии может происходить только до физического пуска атомного реактора и его работы на длительном установившемся режиме. В этом случае управляемая регулирующая заслонка 32 перекрывает боковое окно 31 корпуса 29 воздухораспределителя 28, и весь воздух из компрессора 27 поступает в камеру сгорания 33. Воздушная полость (линия) теплообменника 42 второго контура защищена от попадания в нее горячих продуктов сгорания топлива вторичным воздухом камеры сгорания 33, который охлаждает ее элементы. Продукты сгорания топлива поступают в турбину 34, которая приводит во вращение компрессор 27 и тяговый генератор 52, и выбрасываются затем в атмосферу через выходное устройство 22.The operation of a power plant using only a combustion chamber as a source of thermal energy in a long-term steady state can occur only before the physical start-up of a nuclear reactor and its operation in a long steady state. In this case, the controlled control flap 32 closes the side window 31 of the housing 29 of the air distributor 28, and all the air from the compressor 27 enters the combustion chamber 33. The air cavity (line) of the second circuit heat exchanger 42 is protected from the ingress of hot fuel combustion products from the secondary air of the combustion chamber 33, which cools its elements. The combustion products of the fuel enter the turbine 34, which drives the compressor 27 and the traction generator 52, and are then released into the atmosphere through the output device 22.

В таблице представлены результаты расчетно-теоретического исследования энергетических установок атомного газотурбинного локомотива. Приняты следующие основные допущения и предположения: учтены реальные значения КПД узлов газотурбинного двигателя, учтено изменение удельной теплоемкости воздуха и продуктов сгорания углеводородного топлива в воздухе по температуре, значение термического КПД установки является максимальным для указанных в таблице значений параметров термодинамического цикла газотурбинного двигателя, величина удельного объемного тепловыделения в активной зоне атомного реактора принята равной 700000 кВт/м³, толщина легкой защиты принята равной 1,0 м, толщина отражателя принята равной 0,2 м, толщина корпуса атомного реактора принята равной 0,05 м.The table shows the results of a theoretical and theoretical study of the power plants of an atomic gas turbine locomotive. The following basic assumptions and assumptions were made: the real values of the efficiency of the gas turbine engine assemblies were taken into account, the specific heat capacity of the air and the products of hydrocarbon fuel combustion in air was taken into account in temperature, the thermal efficiency of the installation was maximum for the values of the parameters of the thermodynamic cycle of the gas turbine engine specified in the table, the specific volume heat release in the active zone of a nuclear reactor is taken equal to 700,000 kW / m ³ , the thickness of the light protection is taken equal to 1.0 m, t the reflector thickness was taken equal to 0.2 m, the thickness of the nuclear reactor shell was taken equal to 0.05 m.

ТаблицаTable Параметры термодинамически оптимизированных энергетических установок атомного газотурбинного локомотиваParameters of thermodynamically optimized power plants of an atomic gas turbine locomotive № п/пNo. p / p ПараметрыOptions Варианты энергетической установкиPower plant options 1one 22 33 4four 55 66 1one Температура атмосферного воздуха, °СAmbient temperature, ° С +15+15 22 Давление атмосферного воздуха, кгс/см² Atmospheric air pressure, kgf / cm ² 1,03321,0332 33 Суммарная электрическая мощность тяговых генераторов, кВтTotal electric power of traction generators, kW 60006000 1140011400 60006000 1140011400 60006000 1140011400 4four Температура теплоносителя на входе в теплообменник второго конт., °СThe temperature of the coolant at the inlet to the heat exchanger of the second circuit., ° C 650650 650650 700700 700700 750750 750750 55 Температура теплоносителя на выходе из теплообменника второго конт, °СThe temperature of the coolant at the outlet of the heat exchanger of the second contact, ° C 358358 358358 377377 377377 395395 395395 66 Температура теплоносителя на входе в теплообменник первого конт., °СThe temperature of the coolant at the inlet to the heat exchanger of the first circuit., ° C 700700 700700 750750 750750 800800 800800 77 Температура теплоносителя на выходе из теплообменника первого конт., °СThe temperature of the coolant at the outlet of the heat exchanger of the first cont., ° C 408408 408408 427427 427427 445445 445445 88 Температура воздуха на входе в турбину, °СTurbine inlet air temperature, ° С 600 (873)600 (873) 650 (923)650 (923) 700 (973)700 (973) 99 Оптимальная степень повышения давления в компрессореOptimum compressor pressure increase 99 1010 11eleven 1010 Термический КПД установки, %Thermal efficiency of the installation,% 21,121.1 23,623.6 25,925.9 11eleven Тепловая мощность атомного реактора, кВтThermal power of a nuclear reactor, kW 2843628436 5402854028 2542425424 4830548305 2316623166 4401544015 1212 Температура воздуха за компрессором, КAir temperature behind the compressor, K 574,3574.3 593593 610,5610.5 1313 Тепловыделение атомного реактора, ккал/сHeat emission of a nuclear reactor, kcal / s 67926792 1290412904 60726072 1153711537 55335533 1051310513 14fourteen Расход воздуха через газотурбинные двигатели (1 дв* 2 секц. = 2 дв), кг/сAir flow through gas turbine engines (1 engine * 2 sections = 2 engine), kg / s 44,1544.15 83,8883.88 35,3835.38 67,2367.23 29,1129.11 55,3055.30 15fifteen Диаметр активной зоны, мDiameter of the core, m 0,3720.372 0,4620.462 0,3590.359 0,4450.445 0,3480.348 0,4310.431 1616 Диаметр атомного реактора с биологической защитой, мThe diameter of the nuclear reactor with biological protection, m 2,8722,872 2,9622,962 2,8592,859 2,9452,945 2,8482,848 2,9312,931 1717 Предполагаемая кампания атомного реактора (время работы на номинальном режиме на одну зарядку ядерным горючим), сут.Estimated campaign of an atomic reactor (operating time in nominal mode for a single charge of nuclear fuel), days. 250÷350250 ÷ 350

Применение атомного газотурбинного локомотива позволяет увеличить дальность безостановочного пробега, снизить затраты топлива, обеспечить своевременность и повысить надежность доставки грузов и пассажиров в регионы Севера и Сибири.The use of an atomic gas turbine locomotive can increase the range of non-stop mileage, reduce fuel costs, ensure timeliness and improve the reliability of the delivery of goods and passengers to the regions of the North and Siberia.

Claims

1. Atomic gas turbine locomotive containing at least two separate sections, including a body with a frame, a chassis with traction motors on the axles of the bogies, a brake system connected to a source of compressed air, of which one reactor section containing an atomic reactor with an active zone , housing as heavy protection, reflector, control drums with electric drives, primary circuit heat exchangers, pipelines with compensation tanks and electric circulating pumps for pumping liquid of the metal coolant, light protection elements, automatic control system units, and connected to the heat exchangers of the secondary circuit through the heat transfer lines of the primary heat exchangers, and the remaining sections are turbine-generating, containing the traction generator, electric transmission, at least one gas turbine engine connected by the output shaft to the traction shaft generator, including a compressor, a combustion chamber, a turbine and equipped with an air intake with an air purifier, an output device, fuel a live tank, a system for supplying fuel from a tank to a combustion chamber, units of a start-up system, units of an automatic control system, an air intake system from a compressor, characterized in that an air distributor with a controlled control damper is additionally installed behind the compressor of the gas turbine engine and connected to the compressor outlet, an axial channel is made in the air distributor housing, which is connected to the entrance to the combustion chamber, and a side channel, and the heat exchanger of the second circuit is connected to the heat the primary circuit exchanger with a pipeline with a compensation capacity and an electric drive circulation pump for the coolant pumping line, and is installed in the body of the turbogenerator section, the entrance to this heat exchanger through the air line connected to the side channel of the air distributor housing, and the outlet from this heat exchanger through the air line connected to the cavity of the combustion chamber .

2. The atomic gas-turbine locomotive according to claim 1, characterized in that the compensation capacity and the electric drive circulation pump of the coolant pumping line through the heat exchanger of the second circuit are installed in the body of the turbogenerator section.

3. Atomic gas turbine locomotive according to claim 1. or 2, characterized in that the amount of heat removal from the nuclear reactor through one heat exchanger of the second circuit is defined by the expression

where Q _TOII - the amount of heat from the nuclear reactor through one heat exchanger of the second circuit when pumping the coolant;

Q _AP - the amount of heat generated by an atomic reactor;

n ₁ - the number of turbogenerator sections of the locomotive;

n ₂ is the number of gas turbine engines in one turbogenerator section;

β is the coefficient of efficiency of the heat exchange system.