RU2320497C1

RU2320497C1 - Power plant of gas-turbine locomotive with recovery of heat

Info

Publication number: RU2320497C1
Application number: RU2006121809/11A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2008-03-27

Abstract

FIELD: railway transport.

SUBSTANCE: proposed power plant of gas-turbine locomotive with regeneration 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 mounted. Output of regenerative heat exchanger is connected through steam turbine and heat exchanger-condenser with water tank. Heat exchanger-condenser is installed in fuel main line after fuel pump. Turbine is provided with air cooling system of nozzle assembly and turbine wheel which includes air supply pipe from behind compressor, 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 turbine locomotives was first launched in France and led to the creation of a gas turbine locomotive.

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

Известна силовая установка по патенту РФ №2189477, которая содержит газотурбинный двигатель - ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной, и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.A known power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2189477, which contains a gas turbine engine - gas turbine engine, a gas path connecting this gas turbine engine with a free turbine, and a load in the form of an electric generator, the shaft of which is connected to the shaft of the free turbine through a coupling.

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

Известна силовая установка газотурбовоза по патенту РФ №2272916 (прототип), которая содержит газотурбинный двигатель с турбиной и свободную турбину, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, конкретно - с системой охлаждения турбины.A known gas turbine locomotive power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2272916 (prototype), which contains a gas turbine engine with a turbine and a free turbine, behind which a regenerative heat exchanger is installed, the outlet of which is connected to the gas turbine engine, specifically, to the turbine cooling system.

Недостатком этого двигателя является низкий КПД силовой установки из-за того, что подача пара на вход в турбину резко уменьшает температуру продуктов сгорания, проходящих через нее, и тем самым снижает КПД турбины и силовой установки в целом. Если же компенсировать снижение температуры газа перед турбиной увеличением расхода топлива, это приведет к дефектам в виде прогара сопловых и рабочих лопаток турбины. Кроме того, длительное пропускание большого расхода воды через систему охлаждения турбины приводит к отложению накипи в системе охлаждения турбины и ухудшению охлаждения. Применение дистиллированной воды невозможно по техническим и экономическим соображениям. Кроме того, регенеративный теплообменник имеет недостаточную поверхность теплообмена для того, чтобы полностью утилизировать тепло выхлопных газов.The disadvantage of this engine is the low efficiency of the power plant due to the fact that the steam supply to the turbine inlet sharply reduces the temperature of the combustion products passing through it, and thereby reduces the efficiency of the turbine and the power plant as a whole. If to compensate for the decrease in the gas temperature in front of the turbine with an increase in fuel consumption, this will lead to defects in the form of burnout of the nozzle and working blades of the turbine. In addition, prolonged transmission of a large flow rate of water through the turbine cooling system leads to scale deposits in the turbine cooling system and poor cooling. The use of distilled water is not possible for technical and economic reasons. In addition, the regenerative heat exchanger has an insufficient heat exchange surface in order to completely utilize the heat of the exhaust gases.

Задачи создания изобретения: повышение экономичности силовой установки и надежности турбины.Objectives of the invention: improving the efficiency of the power plant and the reliability of the turbine.

Решение указанной задачи 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 установлен регенеративный теплообменник, отличается тем, что выход из регенеративного теплообменника соединен через паровую турбину и теплообменник-конденсатор с емкостью для воды. Теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего. Турбина содержит воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, в которую входит трубопровод подвода воздуха из-за компрессора, дефлектор на диске турбины.The solution to this problem 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, is characterized in that the outlet from the regenerative heat exchanger is connected through steam turbine and heat exchanger-condenser with a water tank. The heat exchanger-condenser is installed in the fuel line after the fuel pump. The turbine contains an air cooling system for the nozzle apparatus and the impeller of the turbine, which includes the air supply pipe due to the compressor, 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:The invention is illustrated in figures 1 and 2, where:

- на фиг.1 приведена схема силовой установки локомотива,- figure 1 shows a diagram of the power plant of the locomotive,

- на фиг.2 приведена схема охлаждения турбины.- figure 2 shows the cooling circuit of the 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 турбины 12 и рабочее колесо турбины 13. Рабочее колесо турбины 13 установлено на валу ГТД 14, на конце вала ГТД 14 установлен датчик оборотов ГТД 15. Свободная турбина 3 содержит сопловой аппарат свободной турбины 16, рабочее колесо свободной турбины 17. В выхлопной шахте 18 установлен основной 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 of a turbine 12 and an impeller of a turbine 13. The impeller of a turbine 13 is mounted on a shaft GTE 14, at the end of the GTE shaft 14 a GTE speed sensor is installed 15. The free turbine 3 contains a nozzle apparatus of the free turbine 16, the impeller of the free turbine 17. The main regenerative heat exchanger 19 is installed in the exhaust shaft 18. Next, the rear support 20 with a bearing 21, 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 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 к входу в теплообменник-конденсатор 31, выход из теплообменника-конденсатора 31 подсоединен к баку для воды 33, выход из бака воды трубопроводом низкого давления 34 соединен с водяным насосом 35, имеющим привод 36. Выход из водяного насоса 35 трубопроводом высокого давления 37 соединен со входом в регенеративный теплообменник 19. Теплообменник-газификатор 31 установлен в топливной магистрали 8 после насоса горючего 9.The output of the regenerative heat exchanger 19 is connected by a steam supply pipe 26 to the 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 to the inlet to the heat exchanger-condenser 31, the output from the heat exchanger-condenser 31 is connected to a water tank 33 , the outlet from the water tank by the low pressure pipe 34 is connected to the water pump 35 having a drive 36. The output from the water pump 35 by the high pressure pipe 37 is connected to the inlet of the regenerative heat exchanger 19. Heat transfer nick-gasifier 31 is installed in the fuel line 8 after the fuel pump 9.

Блок управления 38 соединен электрическими связями с датчиком частоты вращения 15, приводом топливного насоса 10 и приводом водяного насоса 36.The control unit 38 is electrically connected to a speed sensor 15, a fuel pump drive 10 and a water pump drive 36.

Система охлаждения рабочего колеса турбины 13 работает на воздухе и содержит трубопровод отбора воздуха 37 от полости из-за компрессора 6, коллектор 40, выполненный над сопловым аппаратом турбины 12, трубки подвода воздуха 41, форсунки 42. Рабочее колесо турбины 13 содержит рабочие лопатки турбины 43, диск 44, дефлектор 45. Турбина 11 содержит корпус 46. На бандажных полках 47 рабочих лопаток турбины 43 выполнены уплотнения 48.The cooling system of the impeller of the turbine 13 operates in air and contains an air intake pipe 37 from the cavity due to the compressor 6, a manifold 40 made over the nozzle apparatus of the turbine 12, air supply tubes 41, nozzles 42. The impeller of the turbine 13 contains the turbine blades 43 , disk 44, deflector 45. Turbine 11 comprises a housing 46. Seals 48 are made on the retaining shelves 47 of the working blades of the turbine 43.

При работе при помощи стартера запускается ГТД 1, при этом подается сигнал с блока управления 38 на приводы 10 и 36, топливный насос 9 подает топливо в камеру сгорания 7. Выхлопные газы, проходя газовый тракт, поступают сначала на турбину ГТД 11, а потом в свободную турбину 3. Рабочее колесо свободной турбины 17 с валом свободной турбины 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 локомотива (на фиг.1 и 2 не показано).During operation, a gas turbine engine 1 is started by means of a starter, and a signal is sent from the control unit 38 to the drives 10 and 36, the fuel pump 9 delivers fuel to the combustion chamber 7. The exhaust gases passing through the gas path first go to the turbine engine 11 and then to free turbine 3. The impeller of the free turbine 17 with the shaft of the free turbine 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 locomotive (not shown in FIGS. 1 and 2).

После запуска двигателя, который контролирует блок управления 38, по сигналу с датчика оборотов ГТД 15 блок управления 38 дает команду на включение привода водяного насоса 36, который раскручивает насос 35 и вода по трубопроводу высокого давления 37 подается в регенеративный теплообменник 19, где подогревается и испаряется, превращаясь в пар. Пар по паровому трубопроводу 26 подается на паровую турбину 27, которая приводит в действие дополнительный электрогенератор 29. Тем самым утилизируется тепло выхлопных газов.After starting the engine that controls the control unit 38, by a signal from the engine speed sensor 15, the control unit 38 gives a command to turn on the drive of the water pump 36, which spins the pump 35 and the water is fed through the high pressure pipe 37 to the regenerative heat exchanger 19, where it is heated and evaporated turning into steam. Steam is supplied through a steam pipe 26 to a steam turbine 27, which drives an additional electric generator 29. Thereby, the heat of the exhaust gases is utilized.

Охлаждение турбины осуществляется следующим образом. Воздух высокого давления из-за компрессора 6 по воздушному трубопроводу 39 подается сначала в коллектор 40, потом в полости «А» соплового аппарата турбины 12, где охлаждает сопловой аппарат турбины 12, далее по трубкам 45 через форсунки 42 - 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 turbine is as follows. Due to the compressor 6, high-pressure air is supplied first to the manifold 40 through the air pipe 39, then to the cavity “A” of the nozzle apparatus of the turbine 12, where it cools the nozzle apparatus of the turbine 12, then through the tubes 45 through nozzles 42 to the cavity “B”, then through the holes "B" - into the cavity "G" and then through the holes "D" goes into the gas path of the turbine 11.

В результате использования новой схемы регенерации тепла КПД силовой установки возрастает более, чем в два раза, а именно с 20% без теплообменника до 47...52%. Это достигнуто утилизацией тепла в паровой турбине 27.As a result of using the new heat recovery scheme, the power plant efficiency more than doubles, namely from 20% without a heat exchanger to 47 ... 52%. This is achieved by heat recovery in the steam turbine 27.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Повысить КПД силовой установки за счет применения утилизации тепла в паровой турбине.1. To increase the efficiency of the power plant through the use of heat recovery in a steam 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, characterized in that the outlet from the regenerative heat exchanger is connected through a steam turbine and a heat exchanger-condenser with 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 locomotive power plant with heat recovery according to claim 1 or 2, characterized in that the turbine contains an air cooling system for the nozzle apparatus and the turbine impeller, which includes an air supply pipe due to the compressor, a deflector on the turbine disk.