RU2314220C1

RU2314220C1 - Railway train

Info

Publication number: RU2314220C1
Application number: RU2006117955/11A
Authority: RU
Inventors: Сергей Евгеньевич Варламов (RU); Сергей Евгеньевич Варламов; Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Сергей Евгеньевич Варламов; Николай Борисович Болотин
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2008-01-10
Also published as: RU2314220C9

Abstract

FIELD: railway transport.

SUBSTANCE: proposed railway train contains locomotive with gas-turbine power plant built around gas turbine engine, and railway cars. Tank installed between locomotive and cars is filled with liquefied gas and is connected by flexible pipeline with fuel system of gas-turbine engine. Power gas-turbine plant is installed at angle to longitudinal axis of locomotive. Jet nozzle can be installed on end of exhaust device. Electric generator is installed from side of inlet of power gas-turbine plant. Electric generator is connected through bevel reduction unit with auxiliary diesel power plant. Front part of tank is protected by fire shield.

EFFECT: increased economy of power gas-turbine plant, provision of safety of railway train in service.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может применяться для силовой установки газотурбовоза, т.е. локомотива, работающего на сжиженном природном газе - СПГ.The invention relates to railway transport and can be used for a gas turbine locomotive power plant, i.e. liquefied natural gas locomotive - LNG.

Известна силовая установка по патенту РФ на изобретение №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха и может применяться как силовая установка для локомотива, но имеет низкий КПД.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 and can be used as a power plant for a locomotive, but has a low efficiency.

Известна силовая установка по патенту РФ на изобретение №212418, которая содержит газотурбинный двигатель, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель с силовой турбиной и обводной канал, который соединяет газовый тракт между турбинами и перед свободной турбиной.Known power plant according to the patent of the Russian Federation for invention No. 212418, which contains a gas turbine engine, a gas path connecting this gas turbine engine with a power turbine and a bypass channel that connects the gas path between the turbines and in front of the free turbine.

Недостатком этой силовой установки является низкая экономичность, почти в 2 раза меньшая, чем у дизеля, плохие характеристики ее запуска, конкретно большое время запуска. Это связано с тем, что газодинамическое сопротивление свободной турбины имеет значительную величину и мощности стартера недостаточно для одновременной раскрутки нескольких газотурбинных двигателей и свободной турбины, с которой отбирается мощность на трансмиссиию.The disadvantage of this power plant is its low profitability, which is almost 2 times less than that of a diesel engine, poor start-up characteristics, specifically a long start-up time. This is due to the fact that the gasdynamic resistance of a free turbine is significant and the starter power is not enough to simultaneously spin up several gas turbine engines and a free turbine, from which power is taken to the transmission.

Известна энергетическая газотурбинная транспортируемая силовая установка по патенту РФ №2189477, которая содержит модули газогенератора, газотурбинного привода и выхлопа, соединенные между собой.Known energy gas turbine transported power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2189477, which contains the modules of the gas generator, gas turbine drive and exhaust, interconnected.

Недостаток прототипа - отсутствие мер обеспечения безопасности и эргономических свойств для обслуживающего персонала, а именно: шумоглушения, теплоизоляции, противопожарной системы.The disadvantage of the prototype is the lack of safety measures and ergonomic properties for staff, namely: noise attenuation, thermal insulation, fire protection system.

Известен железнодорожный состав, содержащий локомотив и вагоны по патенту РФ №2222445, МПК 7 В61С 3/00, опубл. 27.01.2004 г., прототип.Known train containing a locomotive and wagons according to the patent of the Russian Federation No. 2222445, IPC 7 BC 3/00, publ. 01/27/2004, the prototype.

Недостатки: низкая экономичность, обусловленная тем, что газотурбинный двигатель без генерации тепла имеет КПД в 1,5...2,0 раза меньше, чем дизель, также не предусмотрены меры противопожарной безопасности.Disadvantages: low efficiency, due to the fact that a gas turbine engine without heat generation has an efficiency of 1.5 ... 2.0 times less than diesel, and fire safety measures are not provided.

Задача создания изобретения - повышение экономичности энергетической газотурбинной силовой установки и обеспечение безопасности эксплуатации железнодорожного состава.The objective of the invention is to increase the efficiency of a gas turbine power plant and ensure the safety of the operation of the train.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что железнодорожный состав, содержащий локомотив с энергетической газотурбинной силовой установкой на базе газотурбинного двигателя и вагоны, отличается тем, что между локомотивом и вагонами установлена цистерна, заправленная сжиженным природным газом, которая соединена гибким трубопроводом с топливной системой газотурбинного двигателя. Энергетическая газотурбинная силовая установка установлена под углом или вдоль продольной оси локомотива. На конце выхлопного устройства может быть установлено реактивное сопло. Со стороны входа в энергетическую газотурбинную установку установлен электрогенератор, который через редуктор соединен с вспомогательной дизельной силовой установкой. На локомотиве установлена вспомогательная дизельная силовая установка, вал которой соединен с одной стороны через отключаемую муфту с энергетической газотурбинной силовой установкой, а с другой стороны через муфту - с вспомогательным генератором, который через коммутатор электрически соединен с приводными электродвигателями. Передняя часть цистерны, заправленной сжиженным природным газом, защищена противопожарным щитком.The solution to these problems was achieved due to the fact that the train containing a locomotive with an energy gas turbine power plant based on a gas turbine engine and wagons is characterized in that a tank filled with liquefied natural gas is installed between the locomotive and cars, which is connected by a flexible pipe to the gas turbine fuel system engine. The gas turbine power plant is installed at an angle or along the longitudinal axis of the locomotive. A jet nozzle may be installed at the end of the exhaust device. An electric generator is installed on the input side of the power gas turbine unit, which is connected via a gearbox to an auxiliary diesel power unit. An auxiliary diesel power plant is installed on the locomotive, the shaft of which is connected on one side through a disconnectable clutch to an energy gas turbine power plant, and on the other hand, through a clutch, with an auxiliary generator, which is electrically connected through a commutator to drive electric motors. The front of the tank charged with liquefied natural gas is protected by a fire shield.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью. Новизна подтверждается проведенными патентными исследованиями, изобретательский уровень тем, что новая совокупность существенных признаков позволила получить новый технический эффект, а именно значительное повышение экономичности и безопасности железнодорожного состава. Промышленная применимость обусловлена тем, что для реализации изобретения не требуется создания новых неизвестных из уровня техники деталей и узлов и новых технологий.The proposed technical solution has novelty, inventive step and industrial applicability. The novelty is confirmed by patent research, the inventive step is that a new set of essential features allowed to obtain a new technical effect, namely, a significant increase in the economy and safety of the train. Industrial applicability is due to the fact that the implementation of the invention does not require the creation of new unknown from the prior art parts and assemblies and new technologies.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1...4, где:The invention is illustrated in figure 1 ... 4, where:

на фиг.1 приведена схема железнодорожного состава с энергетической газотурбинной силовой установкой, установленной под углом,figure 1 shows a diagram of a train with a power gas turbine power plant installed at an angle,

на фиг.2 приведен вид спереди,figure 2 shows a front view,

на фиг.3 приведена схема железнодорожного состава с энергетической газотурбинной силовой установкой, установленной горизонтально,figure 3 shows a diagram of a train with a power gas turbine power plant installed horizontally,

на фиг.4 приведена схема силовой энергетической газотурбинной установки железнодорожного состава.figure 4 shows a diagram of a power energy gas turbine installation of a train.

Железнодорожный состав (фиг.1) содержит локомотив 1 (фиг.2), вагоны 2, цистерну, заправленную сжиженным природным газом 3, установленную между локомотивом 1 и вагонами 2. В верхней части локомотива 1 выполнен воздухозаборник 4 «П»-образной формы на входе, подсоединенный к входу в ГТД под углом. На локомотиве 1 установлена энергетическая газотурбинная силовая установка 5, имеющая выхлопное устройство 6. Энергетическая газотурбинная силовая установка 5 может быть установлена под углом (фиг.1) или вдоль продольной оси локомотива 1 (фиг.2). Угол установки в вертикальной плоскости целесообразно выполнить в диапазоне от 0 до 90 град. В передней части энергетической газотурбинной силовой установки 5 установлен электрогенератор 7 и кинематически соединен с ней.The train (Fig. 1) contains a locomotive 1 (Fig. 2), wagons 2, a tank filled with liquefied natural gas 3, installed between the locomotive 1 and wagons 2. In the upper part of the locomotive 1 there is an air intake 4 "P" -shaped on entrance connected to the entrance to the gas turbine engine at an angle. An energy gas turbine power plant 5 having an exhaust device 6 is installed on the locomotive 1. The energy gas turbine power plant 5 can be installed at an angle (Fig. 1) or along the longitudinal axis of the locomotive 1 (Fig. 2). The installation angle in the vertical plane, it is advisable to perform in the range from 0 to 90 degrees. An electric generator 7 is installed in front of the power gas turbine power plant 5 and is kinematically connected to it.

Вспомогательная дизельная силовая установка 8 через отключаемую муфту 9 и вал запуска ГТД 10 соединена с энергетической газотурбинной силовой установкой 5. К вспомогательной дизельной силовой установке 8 с другой стороны через муфту 11 подключен вспомогательный электрогенератор 12, который через коммутатор 13 электрическими связями подключен к приводным электродвигателям 14 (фиг.4).The auxiliary diesel power unit 8 is connected to the power gas-turbine power unit 5 through a switch-off clutch 9 and the start-up shaft of the gas turbine engine 10. On the other hand, the auxiliary diesel power unit 8 is connected via the clutch 11 to an auxiliary electric generator 12, which is connected through electrical switch 13 to the drive motors 14 (figure 4).

Энергетическая газотурбинная силовая установка работает обязательно на сжиженном природном газе СПГ. С учетом того, что сжиженный природный газ стоит в 2 раза меньше, чем дизельное топливо, можно создать силовую установку локомотива более экономичную, чем самый современный дизель, а при использовании регенерации тепла экономичность созданной силовой установки получится в 2 раза выше. Топливная система газотурбинного двигателя 15, в которой установлен топливный насос 16 с приводом 17 и теплообменником-испарителем 18, соединяет цистерну, заполненную сжиженным природным газом 3 посредством гибкого трубопровода 19 с энергетической газотурбинной силовой установкой 5. Энергетическая газотурбинная силовая установка 5 состоит из газотурбинного двигателя ГТД 20 и свободной турбины 21, установленной на выходе ГТД 20.An energy gas turbine power plant is necessarily powered by liquefied natural gas LNG. Given that liquefied natural gas costs 2 times less than diesel fuel, it is possible to create a locomotive power plant more economical than the most modern diesel engine, and when using heat recovery, the efficiency of the created power plant will be 2 times higher. The fuel system of a gas turbine engine 15, in which a fuel pump 16 with a drive 17 and a heat exchanger-evaporator 18 is installed, connects a tank filled with liquefied natural gas 3 through a flexible pipe 19 with an energy gas turbine power plant 5. The energy gas turbine power plant 5 consists of a gas turbine engine 20 and a free turbine 21 installed at the output of the gas turbine engine 20.

Газотурбинный двигатель 20 (фиг.4) состоит, в свою очередь из компрессора 22, камеры сгорания 23 и турбины 24. Электрогенератор 7 подключен к свободной турбине 21 посредством вала свободной турбины 25 через редуктор 26. Вал запуска ГТД 10 соединен с валом ГТД 27 через редуктор 26. На выходе выхлопного устройства 6 может быть установлено реактивное сопло 28. Предпочтительно применить дозвуковое нерегулируемое реактивное сопло, которое имеет простую конструкцию и позволит дополнительно увеличить реактивную тягу выхлопного устройства.The gas turbine engine 20 (Fig. 4) consists, in turn, of a compressor 22, a combustion chamber 23, and a turbine 24. An electric generator 7 is connected to a free turbine 21 via a shaft of a free turbine 25 through a reducer 26. The start-up shaft of the gas turbine engine 10 is connected to the shaft of the gas turbine engine 27 through a reducer 26. At the outlet of the exhaust device 6, a jet nozzle 28 can be installed. It is preferable to use a subsonic unregulated jet nozzle, which has a simple structure and will further increase the jet propulsion of the exhaust device.

В передней части цистерны, заправленной сжиженным природным газом 3 установлен защитный щиток 29 для предотвращения попадания выхлопных газов на ее поверхность.In front of the tank, filled with liquefied natural gas 3, a protective shield 29 is installed to prevent the ingress of exhaust gases to its surface.

Для запуска энергетической газотурбинной силовой установки 5 запускают вспомогательную дизельную силовую установку 8, включают отключаемую муфту 9 и передают крутящий момент через редуктор 26 на вал ГТД 27. Одновременно включают привод 17, который приводит в действие топливный насос 16 и в результате чего топливо из цистерны 3 по гибкому трубопроводу 19 через топливный насос 16, топливную систему газотурбинного двигателя 15 подается в камеру сгорания 23, где воспламеняется (запальные устройства на схеме не показаны). Продукты сгорания поступают сначала в турбину 24, потом в свободную турбину 21, раскручиваются валы 25 и 27 и крутящий момент через вал свободной турбины 25 передается на электрогенератор 7, который вырабатывает электрическую энергию. Электрический ток с электрогенератора 7 через коммутатор 13 подается на приводные двигатели 14. Установка энергетической газотурбинной силовой установки 5 или отдельно выхлопного устройства 6 под углом к продольной оси локомотива 1 позволяет одновременно решить четыре задачи:To start the power gas turbine power plant 5, an auxiliary diesel power plant 8 is started, the disconnectable clutch 9 is turned on, and torque is transmitted through the gearbox 26 to the turbine engine shaft 27. At the same time, the drive 17, which drives the fuel pump 16 and, as a result, the fuel from the tank 3 through the flexible pipe 19 through the fuel pump 16, the fuel system of the gas turbine engine 15 is supplied to the combustion chamber 23, where it ignites (ignition devices are not shown in the diagram). The combustion products first enter the turbine 24, then into the free turbine 21, the shafts 25 and 27 are untwisted and the torque is transmitted through the shaft of the free turbine 25 to an electric generator 7, which generates electrical energy. Electric current from the generator 7 through the switch 13 is supplied to the drive motors 14. Installing an energy gas turbine power plant 5 or a separate exhaust device 6 at an angle to the longitudinal axis of the locomotive 1 can simultaneously solve four problems:

- организовать выброс выхлопных газов вверх для обеспечения пожарной безопасности,- organize the exhaust upward to ensure fire safety,

- предотвратить попадание выхлопных газов, содержащих частицы углерода, окислы углерода, азота и другие вредные вещества, внутрь пассажирских вагонов,- to prevent the ingress of exhaust gases containing carbon particles, oxides of carbon, nitrogen and other harmful substances into passenger cars,

- использовать горизонтальную составляющую реактивной тяги выхлопного устройства для улучшения тяговых характеристик локомотива,- use the horizontal component of the thrust of the exhaust device to improve the traction characteristics of the locomotive,

- использовать вертикальную составляющую реактивной тяги для улучшения сцепления колесных пар локомотива с рельсами.- use the vertical component of jet propulsion to improve the adhesion of the locomotive’s wheelsets to the rails.

Установка на выходе выхлопного устройства 6 реактивного сопла 28 позволит дополнительно увеличить реактивную тягу выхлопного устройства 6.The installation at the outlet of the exhaust device 6 of the jet nozzle 28 will further increase the reactive thrust of the exhaust device 6.

Для маневрирования локомотива отключают ГТД 20 и включают вспомогательную дизельную силовую установку 8, имеющую мощность в десятки раз меньше, чем мощность энергетической газотурбинной силовой установки. При этом крутящий момент через муфту 11 передается на вспомогательный электрогенератор 12, электрический ток из которого через коммутатор 13 подается на приводные электродвигатели 14. Это необходимо для маневрирования локомотива 1 с небольшой скоростью.To maneuver the locomotive, the gas turbine engine 20 is turned off and the auxiliary diesel power unit 8 is turned on, having a power tens of times less than the power of a gas turbine power plant. In this case, the torque through the clutch 11 is transmitted to the auxiliary electric generator 12, the electric current from which is supplied through the switch 13 to the drive motors 14. This is necessary for maneuvering the locomotive 1 at a low speed.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Обеспечить движение пассажирских и грузовых поездов со скоростями от 500 до 700 км/час.1. To ensure the movement of passenger and freight trains with speeds from 500 to 700 km / h.

2. Повысить экономичность энергетической газотурбинной силовой установки за счет использования горизонтальной составляющей реактивной тяги выхлопного устройства 6, установленного вместе с ГТД под углом к продольной оси локомотива, или за счет установки выхлопного устройства под углом к оси локомотива при установке газотурбинной силовой установки вдоль продольной оси локомотива. Кроме того, экономичность энергетической газотурбинной установки может быть значительно увеличена за счет применения реактивного сопла.2. To increase the efficiency of the energy gas-turbine power plant by using the horizontal component of the reactive thrust of the exhaust device 6, installed together with the gas turbine engine at an angle to the longitudinal axis of the locomotive, or by installing the exhaust device at an angle to the axis of the locomotive when installing a gas-turbine power plant along the longitudinal axis of the locomotive . In addition, the efficiency of a gas turbine power plant can be significantly increased through the use of a jet nozzle.

3. Обеспечить безопасность работы с установкой за счет применения защитного щита, предохраняющего цистерну, заправленную сжиженным природным газом от попадания на ее поверхность горячих выхлопных газов.3. To ensure the safe operation of the installation by using a protective shield that protects the tank filled with liquefied natural gas from hot exhaust gases entering its surface.

4. Облегчить (ускорить) запуск силовой установки энергетической газотурбинной транспортируемой силовой установки за счет применения в качестве стартера для запуска ГТД вспомогательной дизельной силовой установки.4. To facilitate (accelerate) the start-up of the power plant of the gas-turbine transported power plant by using an auxiliary diesel power plant as a starter for starting the gas turbine engine.

5. Повысило надежность силовой установки за счет исключения прямого попадания посторонних предметов и пыли на вход в ГТД. Это достигнуто сложной формой воздухозаборника, имеющего несколько поворотов и подсоединенного к входу в ГТД под углом.5. Improved the reliability of the power plant by eliminating the direct contact of foreign objects and dust at the entrance to the gas turbine engine. This is achieved by the complex shape of the air intake, which has several turns and is connected to the entrance to the gas turbine engine at an angle.

6. Облегчить сборку за счет модульной конструкции установки.6. Facilitate assembly due to the modular design of the installation.

7. Улучшить ремонтопригодность установки.7. Improve the maintainability of the installation.

Claims

1. A train comprising a locomotive with an energy gas turbine power plant based on a gas turbine engine and cars, characterized in that a tank filled with liquefied natural gas is installed between the locomotive and the cars, which is connected by a flexible pipe to the fuel system of a gas turbine engine, while the energy gas turbine power the installation is installed at an angle or along the longitudinal axis of the locomotive, equipped with an exhaust device, the output of which is installed reactive characterized in that an electric generator is installed on the inlet side of the power gas turbine unit, which is connected via a gearbox to an auxiliary diesel power unit.

2. The train according to claim 1, characterized in that an auxiliary diesel engine is installed on the locomotive, the shaft of which is connected on one side through a switch-off clutch to a power gas turbine power plant, and on the other hand, through a clutch, to an auxiliary generator, which is electrically connected through a switch with drive motors.

3. The train according to claim 1 or 2, characterized in that a protective shield is installed in the front of the tank filled with liquefied natural gas.