RU2312231C1

RU2312231C1 - Power plant of gas-turbine locomotive with recovery of heat

Info

Publication number: RU2312231C1
Application number: RU2006125913/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2006-07-17
Filing date: 2006-07-17
Publication date: 2007-12-10

Abstract

FIELD: railway transport.

SUBSTANCE: proposed gas-turbine locomotive with recovery of heat contains gas-turbine engine with compressor, combustion chamber and turbine connected by gas duct with free turbine after which regenerative heat exchanger is installed in exhaust device. Output of regenerative heat exchanger is connected through air cooling heat exchanger, steam turbine and heat exchanger-condenser with water tank. Additional combustion chamber is installed in exhaust device before regenerative heat exchanger. Heat exchanger-condenser is installed in fuel main line after fuel pump. Turbine has air cooling system of nozzle assembly and turbine runner which includes pipeline to take off air after compressor, air cooling heat exchanger, manifold, nozzle assembly with spaces inside and deflector on turbine disk.

EFFECT: increased efficiency and improved reliability of power plant.

3 cl, 2 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 turbines was first launched in France and led to the creation of a gas turbine.

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 (см. SU 1768766, кл. F01D 17/00, 06.02.1990) (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 (see SU 1768766, class F01D 17/00, 02/06/1990) (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 - with a turbine cooling system.

Недостатками этого двигателя является низкий КПД силовой установки из-за того, что 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 regenerative heat exchanger has an insufficient heat exchange surface in order to completely utilize the heat of the exhaust gases.

Задачи создания изобретения: повышение экономичности и надежности установки.Objectives of the invention: improving the efficiency and reliability of the installation.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что силовая установка газотурбовоза с утилизацией тепла, содержащая газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой в выхлопном устройстве установлен регенеративный теплообменник, вход которого соединен через водяной насос с баком для воды. Выход из регенеративного теплообменника соединен через теплообменник охлаждения воздуха, который входит в воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, паровую турбину и теплообменник-конденсатор с баком для воды, а в выхлопном устройстве перед регенеративным теплообменником установлена дополнительная камера сгорания, подсоединенная к системе топливоподачи дополнительным топливным трубопроводом с регулятором расхода топлива, за регенеративным теплообменником установлен датчик температуры, а вход регенеративного теплообменника соединен через водяной насос с баком для воды. Теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего. Воздушная система охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины состоит из трубопровода отбора воздуха из-за компрессора, теплообменника охлаждения воздуха, коллектора, соплового аппарата с полостями внутри него и дефлектора на диске турбины.The solution of these problems was achieved due to the fact that the power plant of a gas turbine locomotive with heat recovery, containing a gas turbine engine with a compressor, a combustion chamber and a turbine connected by a gas path to a free turbine, behind which a regenerative heat exchanger is installed in the exhaust device, the input of which is connected through a water pump to a water tank. The outlet from the regenerative heat exchanger is connected through an air cooling heat exchanger, which enters the air cooling system of the nozzle apparatus and the turbine impeller, a steam turbine and a heat exchanger-condenser with a water tank, and an additional combustion chamber connected to the fuel supply system is installed in front of the regenerative heat exchanger in the exhaust device an additional fuel pipe with a fuel consumption regulator, a temperature sensor is installed behind the regenerative heat exchanger, and the reg A heat exchanger is connected through a water pump to a water tank. The heat exchanger-condenser is installed in the fuel line after the fuel pump. The air cooling system of the nozzle apparatus and the turbine impeller consists of an air extraction pipe due to a compressor, an air cooling heat exchanger, a collector, a nozzle apparatus with cavities inside it and a deflector on the turbine disk.

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 и 2, где на фиг.1 приведена схема силовой установки локомотива, а на фиг.2 приведена схема охлаждения турбины.The invention is illustrated in figures 1 and 2, where figure 1 shows a diagram of the power plant of a locomotive, and figure 2 shows a diagram of a cooling turbine.

Предложенное техническое решение содержит газотурбинный двигатель ГТД 1 и подсоединенную газовым трактом 2 свободную турбину 3, к которой присоединен электрогенератор 4 (фиг.1).The proposed technical solution comprises a gas turbine engine GTE 1 and a free turbine 3 connected to a gas path 2, to which an electric generator 4 is connected (Fig. 1).

ГТД 1 содержит воздухозаборное устройство 5, компрессор 6, камеру сгорания 7, систему топливоподачи 8 с топливным насосом 9 и приводом топливного насоса 10, турбину 11. Турбина 11 содержит сопловой аппарат 12 и рабочее колесо 13. Рабочее колесо 13 турбины 11 установлено на валу 14 ГТД, на конце вала 14 ГТД установлен датчик оборотов 15 ГТД. Свободная турбина 3 содержит сопловой аппарат 16, рабочее колесо 17. В выхлопном устройстве 18 установлен регенеративный теплообменник 19. Далее установлены задняя опора 20 с подшипником 21, в котором установлен вал свободной турбины 22, к которому подсоединен через муфту 23 вал нагрузки 24 с электрогенератором 4. Подшипник 21 имеет систему смазки 25.The turbine engine 1 contains an air intake device 5, a compressor 6, a combustion chamber 7, a fuel supply system 8 with a fuel pump 9 and a fuel pump drive 10, a turbine 11. The turbine 11 comprises a nozzle apparatus 12 and an impeller 13. The impeller 13 of the turbine 11 is mounted on the shaft 14 GTE, at the end of the shaft 14 GTE mounted speed sensor 15 GTD. A free turbine 3 contains a nozzle apparatus 16, an impeller 17. A regenerative heat exchanger 19 is installed in the exhaust device 18. Next, a rear support 20 with a bearing 21 is installed, in which a shaft of a free turbine 22 is installed, to which a load shaft 24 with an electric generator 4 is connected via a coupling 23 The bearing 21 has a lubrication system 25.

Выход из регенеративного теплообменника 19 подключен трубопроводом подачи пара 26 к паровой турбине 27, на валу паровой турбины 28 установлен дополнительный электрогенератор 29. Выход из паровой турбины 27 подсоединен трубопроводом 30 к входу в теплообменник охлаждения воздуха, выход из теплообменника охлаждения воздуха 31 паровым трубопроводом 32 соединен с входом в теплообменник-конденсатор 33, выход из теплообменника-конденсатора 33 подсоединен трубопроводом рециркуляции 34 с баком для воды 35, выход из бака для воды 35 трубопроводом низкого давления 36 соединен с водяным насосом 37, имеющим привод 38. Выход из водяного насоса 37 трубопроводом высокого давления 39 соединен со входом в регенеративный теплообменник 19.The output from the regenerative heat exchanger 19 is connected by a steam supply pipe 26 to a steam turbine 27, an additional electric generator 29 is installed on the shaft of the steam turbine 28. The output from the steam turbine 27 is connected by a pipe 30 to the inlet to the air cooling heat exchanger, the output from the air cooling heat exchanger 31 by the steam pipe 32 is connected with the entrance to the heat exchanger-condenser 33, the output of the heat exchanger-condenser 33 is connected by a recirculation pipe 34 with a water tank 35, the exit from the water tank 35 line 36 is connected to a water pump 37 having a drive 38. The output of the water pump 37 by a high pressure pipe 39 is connected to the inlet of the regenerative heat exchanger 19.

Блок управления 40 соединен электрическими связями с датчиком частоты вращения 15, приводом топливного насоса 10 и приводом водяного насоса 38.The control unit 40 is electrically connected to a speed sensor 15, a fuel pump drive 10 and a water pump drive 38.

Теплообменник охлаждения воздуха 31 по воздушной линии подключен трубопроводом отбора воздуха 41 к полости за компрессором 6, а его выход трубопроводом подачи воздуха 42 подключен к коллектору 43, установленному над сопловым аппаратом 12 турбины 11 и сообщающемуся посредством отверстий с полостью «А» внутри лопаток соплового аппарата 12. Теплообменник-конденсатор 33 установлен в топливной магистрали 8 после насоса горючего 9.The air-cooling heat exchanger 31 is connected via an overhead line to the cavity 41 behind the compressor 6 and its outlet is connected to the manifold 43 installed above the nozzle apparatus 12 of the turbine 11 and connected through openings with a cavity “A” inside the blades of the nozzle apparatus 12. The heat exchanger-condenser 33 is installed in the fuel line 8 after the fuel pump 9.

В системе топливоподачи 8 над камерой сгорания 7 установлен кольцевой коллектор 44, к которому подсоединен дополнительный топливный трубопровод 45 с регулятором расхода топлива 46, имеющим привод 47, соединенный с дополнительной камерой сгорания 48, установленной в выхлопном устройстве 18 перед регенеративным теплообменником 19. После регенеративного теплообменника 19 установлен датчик температуры 49.In the fuel supply system 8, an annular manifold 44 is mounted above the combustion chamber 7, to which an additional fuel pipe 45 is connected with a fuel flow regulator 46 having a drive 47 connected to an additional combustion chamber 48 installed in the exhaust device 18 in front of the regenerative heat exchanger 19. After the regenerative heat exchanger 19, a temperature sensor 49 is installed.

Система охлаждения соплового аппарата 12 и рабочего колеса 13 турбины 11 работает на воздухе и содержит трубопровод отбора воздуха 41 от полости за компрессором 6, теплообменник охлаждения воздуха 31, коллектор 43, выполненный над сопловым аппаратом 12 турбины 11, трубки подвода воздуха 50 (фиг.2), форсунки 51. Рабочее колесо 13 турбины 11 содержит диск 52, рабочие лопатки 53, дефлектор 54 на диске турбины 11. Турбина 11 содержит корпус 55. На бандажных полках 56 рабочих лопаток 53 выполнены уплотнения 57.The cooling system of the nozzle apparatus 12 and the impeller 13 of the turbine 11 operates in air and contains an air sampling pipe 41 from the cavity behind the compressor 6, an air cooling heat exchanger 31, a manifold 43 made over the nozzle apparatus 12 of the turbine 11, air supply tube 50 (Fig. 2 ), nozzles 51. The impeller 13 of the turbine 11 comprises a disk 52, rotor blades 53, a deflector 54 on the turbine disc 11. The turbine 11 comprises a housing 55. Seals 57 are made on the retaining shelves 56 of the rotor blades 53.

При работе при помощи стартера запускается Г ТД 1, при этом подается сигнал с блока управления 40 на привода 10 и 38, топливный насос 9 подает жидкое топливо - сжиженный природный газ - сначала в теплообменник охлаждения воздуха 31, 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, проходя газовый тракт, поступают сначала на турбину Г ТД 11, а потом в свободную турбину 3. Рабочее колесо 17 свободной турбины 3 с валом 22 раскручиваются. Крутящий момент через муфту 23 передается на вал нагрузки 24 и далее на электрогенератор 4. С электрогенератора 4 электрическая энергия подается на электродвигатели, связанные с колесными парами газотурбовоза (на фиг.1 и 2 не показано).When working with a starter, the TD 1 starts up, with a signal from the control unit 40 to the actuators 10 and 38, the fuel pump 9 supplies liquid fuel — liquefied natural gas — first to the air cooling heat exchanger 31, where it evaporates and gasifies, and then it is fed into the combustion chamber 7, where it is ignited using an electric igniter (not shown in Figs. 1 and 2). The exhaust gases passing through the gas path, first go to the turbine G TD 11, and then to the free turbine 3. The impeller 17 of the free turbine 3 with the shaft 22 are untwisted. The torque through the clutch 23 is transmitted to the load shaft 24 and then to the electric generator 4. From the electric generator 4, electric energy is supplied to the electric motors connected to the wheel pairs of the gas turbine (not shown in Figs. 1 and 2).

После запуска двигателя, который контролирует блок управления 40 по сигналу с датчика оборотов 15 Г ТД, блок управления 40 дает команду на включение привода водяного насоса 38, который раскручивает насос 37 и вода по трубопроводу высокого давления 39 подается в регенеративный теплообменник 19, где подогревается и испаряется, превращаясь в пар. Т.к. энергии пара, вырабатываемого в регенеративном теплообменнике, недостаточно для привода мощной паровой турбины 27, по дополнительному топливному трубопроводу 45 подают топливо в дополнительную камеру сгорания 48, сжигают его, тем самым подогревают пар дополнительно. Используя показания датчика температуры 49, блок управления 40 подает команду на привод регулятора расхода топлива 47, который при помощи регулятора 46 поддерживает расход топлива через дополнительную камеру сгорания 48.After starting the engine, which controls the control unit 40 by a signal from the speed sensor 15 G TD, the control unit 40 gives a command to turn on the drive of the water pump 38, which spins the pump 37 and the water through the high pressure pipe 39 is supplied to the regenerative heat exchanger 19, where it is heated and evaporates, turning into steam. Because the energy of the steam generated in the regenerative heat exchanger is not enough to drive a powerful steam turbine 27, fuel is supplied through an additional fuel pipe 45 to an additional combustion chamber 48, it is burned, thereby additionally heating the steam. Using the readings of the temperature sensor 49, the control unit 40 sends a command to the drive of the fuel consumption regulator 47, which, with the help of the controller 46, supports fuel consumption through the additional combustion chamber 48.

Пар, имеющий температуру от 100 до 120°С, по паровому трубопроводу 26 подается сначала в теплообменник охлаждения воздуха 31, где охлаждает воздух, идущий на охлаждение турбины 11. Воздух, отбираемый из-за компрессора, имеет температуру до 500°С, а на выходе из теплообменника охлаждения воздуха - около 300°С. Пар при этом дополнительно подогревается на 10...20°С и поступает на паровую турбину 27, которая приводит в действие дополнительный электрогенератор 29. Дополнительный электрогенератор может иметь мощность, соизмеримую с мощностью основного электрогенератора 4, и использоваться для тех же целей, т.е. привода газотурбовоза. Тем самым утилизируется тепло выхлопных газов и тепло воздуха, охлаждающего турбину. Это позволит создать силовую установку, работающую длительное время с температурой газов на входе в турбину более 1500°С.Steam having a temperature of from 100 to 120 ° C is first supplied through a steam pipe 26 to an air cooling heat exchanger 31, where it cools the air that goes to cool the turbine 11. The air taken from the compressor has a temperature of up to 500 ° C, and the exit from the air cooling heat exchanger is about 300 ° C. In this case, the steam is additionally heated by 10 ... 20 ° С and enters the steam turbine 27, which drives the additional electric generator 29. The additional electric generator can have a power commensurate with the power of the main electric generator 4 and be used for the same purposes, i.e. e. gas turbine locomotive drive. This utilizes the heat of the exhaust gases and the heat of the air cooling the turbine. This will make it possible to create a power plant operating for a long time with a gas temperature at the turbine inlet of more than 1500 ° C.

Охлаждение соплового аппарата 12 и рабочего колеса 13 турбины 11 осуществляется следующим образом. Воздух высокого давления за компрессором 6 по трубопроводу отбора воздуха 41 подается сначала в теплообменник охлаждения воздуха 31, потом по трубопроводу подачи воздуха 42 в коллектор 43, потом в полости «А» соплового аппарата 12 турбины 11, где охлаждает сопловой аппарат 12 турбины 11, далее по трубкам 50 через форсунки 51 - в полость «Б», потом через отверстия «В» - в полость «Г» и далее через отверстия «Д» выходит в газовый тракт турбины 11.The cooling of the nozzle apparatus 12 and the impeller 13 of the turbine 11 is as follows. The high pressure air behind the compressor 6 is first supplied through an air sampling pipe 41 to an air cooling heat exchanger 31, then through an air supply pipe 42 to a manifold 43, then into a cavity “A” of the nozzle apparatus 12 of the turbine 11, where it cools the nozzle apparatus 12 of the turbine 11, then through tubes 50 through nozzles 51 into cavity “B”, then through openings “C” into cavity “G” and then through openings “D” it enters the gas path of turbine 11.

В результате использования новой схемы регенерации тепла КПД силовой установки возрастает более чем в 2 раза, а именно с 20% без теплообменника до 47...53%. Это достигнуто утилизацией тепла в паровой турбине 27, применением дополнительной камеры сгорания 48, использованием хладоресурса топлива для повышения температуры газа перед турбиной 11 и поддержанием оптимальной температуры по датчику температуры 49.As a result of using the new heat recovery scheme, the efficiency of the power plant increases by more than 2 times, namely from 20% without a heat exchanger to 47 ... 53%. This is achieved by heat recovery in the steam turbine 27, the use of an additional combustion chamber 48, the use of a cold fuel resource to increase the temperature of the gas in front of the turbine 11 and maintaining the optimum temperature by the temperature sensor 49.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Повысить КПД силовой установки за счет применения утилизации тепла в паровой турбине, применения дополнительной камеры сгорания и форсирования температуры газа перед турбиной.1. To increase the efficiency of the power plant through the use of heat recovery in a steam turbine, the use of an additional combustion chamber and boosting the gas temperature in front of the turbine.

2. Улучшить надежность силовой установки и, в первую очередь, турбины за счет ее эффективного охлаждения.2. To improve the reliability of the power plant and, first of all, the turbine due to its effective cooling.

3. Отказаться от применения воды для охлаждения турбины.3. Refuse the use of water to cool the turbine.

4. Предотвратить отложение накипи в системе охлаждения турбины.4. Prevent scale deposits in the turbine cooling system.

Claims

1. The power plant of a gas turbine locomotive with heat recovery, comprising a gas turbine engine with a compressor, a combustion chamber and a turbine connected by a gas path to a free turbine, behind which a regenerative heat exchanger is installed in the exhaust device, the inlet of which is connected through a water pump to a water tank, characterized in that the outlet of the regenerative heat exchanger is connected through an air cooling heat exchanger that enters the air cooling system of the nozzle apparatus and the turbine impeller, a steam turbine inu and a heat exchanger-condenser with a water tank, and in the exhaust device in front of the regenerative heat exchanger there is an additional combustion chamber connected to the fuel supply system with an additional fuel pipe with a fuel flow regulator, a temperature sensor is installed behind the regenerative heat exchanger, and the regenerative heat exchanger inlet is connected through a water pump to a water tank.

2. The power plant of a gas turbine locomotive with heat recovery according to claim 1, characterized in that the heat exchanger-condenser is installed in the fuel line after the fuel pump.

3. The gas turbine locomotive power plant with heat recovery according to claim 1, characterized in that the air cooling system of the nozzle apparatus and the turbine impeller consists of an air extraction pipe behind the compressor, an air cooling heat exchanger, a collector, a nozzle apparatus with cavities inside it and a deflector on the disk turbines.