RU2323115C1

RU2323115C1 - Locomotive power plant with regeneration of heat

Info

Publication number: RU2323115C1
Application number: RU2006121704/11A
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: 2008-04-27
Also published as: RU2006121704A

Abstract

FIELD: railway transport; locomotive power plants.

SUBSTANCE: locomotive power plant with conservation of heat by regeneration contains gas-turbine engine with compressor, combustion chamber and turbine connected by gas duct with free turbine after which regenerative heat exchanger is installed. Output of regenerative heat exchanger is connected with liquid sodium tank through cooling system of turbine nozzle assembly. Air cooling system of turbine wheel contains pipeline to deliver air from compressor and deflectors on turbine disk. Turbine blades are provided with inner working spaces and perforations and shroud shelves with slots on trailing edges.

EFFECT: improved reliability and increased efficiency of plant.

2 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 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 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.

Недостатками 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 disadvantages 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 локомотива с замкнутой системой охлаждения турбины, содержащая газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, отличается тем, что выход из регенеративного теплообменника соединен через систему охлаждения соплового аппарата турбины с емкостью для жидкого натрия. Воздушная система охлаждения рабочего колеса турбины содержит трубопровод подвода воздуха из-за компрессора, дефлектора на диске турбины и выполнена в виде последовательно соединенных внутренних полостей рабочих лопаток турбины и перфорации на рабочих лопатках турбины бандажных полок и щелевых отверстий на выходных кромках.The solution to this problem was achieved due to the fact that the power plant of a locomotive with a closed turbine cooling system, 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, the outlet of which is connected to a gas turbine engine, characterized in that the outlet of the regenerative heat exchanger is connected through a cooling system of the nozzle apparatus of the turbine with a tank for liquid sodium. The air cooling system of the turbine impeller contains an air supply pipe due to a compressor, a deflector on the turbine disk and is made in the form of serially connected internal cavities of the turbine rotor blades and perforations on the turbine rotor blades of retaining shelves and slotted openings at the outlet edges.

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, за колесом свободной турбины 17 установлен дополнительный регенеративный теплообменник 20, соединенный с основным регенеративным теплообменником 19 последовательно. Далее установлены задняя опора 21 с подшипником 22, в котором установлен вал свободной турбины 23, к которому подсоединен через муфту 24 вал нагрузки 25 с электрогенератором 4.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 15 is installed. The free turbine 3 contains the 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, behind the wheel of the free turbine 17, an additional regenerative heat exchanger 20 is installed, connected to the main regenerative heat exchanger 19 in series. Next, a rear support 21 with a bearing 22 is installed, in which a shaft of a free turbine 23 is installed, to which a load shaft 25 with an electric generator 4 is connected via a coupling 24.

В системе регенерации перед основным регенеративным теплообменником 19 установлен насос 26 с приводом насоса 27, при этом магистраль подачи жидкого натрия 28 соединяет основной регенеративный теплообменник 19 с емкостью для жидкого натрия 29. Емкость для жидкого натрия 29 содержит заправочный клапан 30. При этом система регенерации тепла замкнута и емкость для жидкого натрия 29 предназначена для хранения запаса жидкого натрия. Выход из дополнительного регенеративного теплообменника 20 соединен со входом в систему охлаждения соплового аппарата турбины трубопроводом 31, подсоединенным к входному коллектору 32. К выходному коллектору 33 подсоединен выходной трубопровод 34, выход которого соединен с емкостью для жидкого натрия 29.In the regeneration system, a pump 26 is installed in front of the main regenerative heat exchanger 19 with a pump drive 27, while the liquid sodium supply line 28 connects the main regenerative heat exchanger 19 with a liquid sodium tank 29. The liquid sodium tank 29 contains a filling valve 30. In this case, the heat recovery system closed and a container for liquid sodium 29 is designed to store a stock of liquid sodium. The outlet from the additional regenerative heat exchanger 20 is connected to the inlet to the cooling system of the turbine nozzle apparatus by a pipe 31 connected to an inlet manifold 32. An outlet manifold 34 is connected to the outlet manifold 33, the outlet of which is connected to a liquid sodium tank 29.

Газотурбинный двигатель 1 оборудован стартером (на фиг.1 не показан). Приводы 10 и 27 соединены электрическими связями с блоком управления 35. Блок управления 35 также соединен с датчиком оборотов ГТД 15.The gas turbine engine 1 is equipped with a starter (not shown in Fig. 1). The actuators 10 and 27 are electrically connected to the control unit 35. The control unit 35 is also connected to the engine speed sensor 15.

Система охлаждения рабочего колеса турбины 13 работает на воздухе и содержит теплообменник-газификатор 36, к которому подходит воздушный трубопровод 37 от полости из-за компрессора 6, трубку подвода воздуха 38, форсунки 39. Рабочее колесо турбины 13 содержит рабочие лопатки турбины 40, диск 41, дефлектор 42. Турбина 11 содержит корпус 43. На бандажных полках 44 рабочих лопаток турбины 40 выполнены уплотнения 45.The cooling system of the impeller of the turbine 13 operates in air and contains a heat exchanger-gasifier 36, to which the air pipe 37 from the cavity due to the compressor 6, the air supply pipe 38, nozzles 39 are suitable. The impeller of the turbine 13 contains the rotor blades of the turbine 40, disk 41 , the deflector 42. The turbine 11 includes a housing 43. On the retaining shelves 44 of the working blades of the turbine 40, seals 45 are made.

При работе при помощи стартера запускается ГТД 1, при этом подается сигнал с блока управления 35 на приводы 10 и 27, 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 23 раскручиваются. Крутящий момент через муфту 22 передается на вал нагрузки 25 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 35 to the drives 10 and 27, the fuel pump 9 delivers fuel to the combustion chamber 7. The exhaust gases passing through the gas path go first 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 23 are untwisted. The torque through the clutch 22 is transmitted to the load shaft 25 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 33 по сигналу с датчика оборотов ГТД 15, блок управления 35 дает команду на включение привода насоса 27, который раскручивает насос 26, и жидкий натрий по магистрали подачи жидкого натрия 28 подается сначала в основной регенеративный теплообменник 19, а потом - в дополнительный регенеративный теплообменник 20, где подогревается, тем самым тепло регенерируется в цикл работы силовой установки. По трубопроводу 31 подогретый жидкий натрий подается (фиг.2) в полости «А» соплового аппарата турбины 12, где охлаждает сопловой аппарат турбины 12 и из выходного коллектора 33 по выходному трубопроводу 34 возвращается в емкость жидкого натрия 29.After starting the engine, which controls the control unit 33 by a signal from the engine speed sensor 15, the control unit 35 gives a command to turn on the drive of the pump 27, which untwists the pump 26, and liquid sodium is fed through the liquid sodium supply line 28 to the main regenerative heat exchanger 19, and then - into an additional regenerative heat exchanger 20, where it is heated, thereby heat is regenerated in the operation cycle of the power plant. The heated liquid sodium is supplied through a pipe 31 (Fig. 2) to the cavity “A” of the nozzle apparatus of the turbine 12, where it cools the nozzle apparatus of the turbine 12 and returns to the liquid sodium tank 29 from the output manifold 33 through the outlet pipe 34.

Воздух, отбираемый из-за компрессора 6, по воздушному трубопроводу 37 подается в теплообменник-газификатор 36, где охлаждается и по трубке (трубкам) 38 через форсунки 39 подается под дефлектор 42 в зазор «Б», далее в отверстия «В», потом в полости «Г» рабочих лопаток турбины 40, потом через отверстия «Д», выполненные в задних кромках рабочих лопаток турбины 40, выбрасывается в газовый тракт турбины 11.The air drawn due to the compressor 6 is supplied through an air pipe 37 to a gasifier heat exchanger 36, where it is cooled and through a tube (s) 38 through nozzles 39 it is supplied under the deflector 42 to the gap “B”, then to the holes “B”, then in the cavity "G" of the working blades of the turbine 40, then through the holes "D" made in the trailing edges of the working blades of the turbine 40, is ejected into the gas path of the 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...51%. Это достигнуто использованием в схеме регенерации тепла двух последовательно соединенных регенеративных теплообменников и в качестве теплоносителя - жидкого натрия. Отказ от применения воды в схеме охлаждения турбины и раздельного применения жидкого натрия и холодного воздуха позволит предотвратить отложение накипи в системе охлаждения турбины 11 и эффективно ее охладить.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 ... 51%. This is achieved by using two regenerative heat exchangers connected in series in the heat recovery scheme and liquid sodium as the heat carrier. The refusal to use water in the cooling circuit of the turbine and separate use of liquid sodium and cold air will prevent the deposition of scale in the cooling system of the turbine 11 and effectively cool it.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Повысить КПД силовой установки за счет применения регенерации тепла в двух последовательно-соединенных теплообменниках и замкнутой схемы рециркуляции и использования в качестве теплоносителя жидкого натрия.1. To increase the efficiency of the power plant due to the use of heat recovery in two series-connected heat exchangers and a closed recirculation circuit and the use of liquid sodium as a heat carrier.

2. Улучшить надежность силовой установки и, в первую очередь, турбины за счет ее эффективного охлаждения путем раздельного применения замкнутого контура охлаждения соплового аппарата турбины с жидким натрием, используемым в качестве теплоносителя и воздушного охлаждения с использованием хладоресурса топлива, применяемого в силовых установках локомотива - сжиженного природного газа.2. To improve the reliability of the power plant and, first of all, the turbine due to its effective cooling by separate use of a closed cooling circuit of the nozzle apparatus of the turbine with liquid sodium, used as a heat carrier and air cooling using fuel coolant used in power plants of a locomotive - liquefied natural gas.

2. Отказаться от применения воды для охлаждения турбины.2. Refuse the use of water to cool the turbine.

3. Предотвратить отложение накипи в системе охлаждения турбины.3. Prevent scale deposits in the turbine cooling system.

Claims

1. Power plant of a 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 output of the regenerative heat exchanger is connected through a cooling system of the turbine nozzle apparatus with a capacity for liquid sodium.

2. The locomotive power plant according to claim 1, characterized in that the turbine impeller air cooling system comprises an air supply pipe from the compressor, a deflector on the turbine disk, the turbine rotor blades being made with internal working cavities and perforations and provided with retaining shelves with slotted openings at the exit edges.