RU2363604C1

RU2363604C1 - Gas turbine locomotive and its power plant

Info

Publication number: RU2363604C1
Application number: RU2008115650/11A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2009-08-10

Abstract

FIELD: railway machinery.

SUBSTANCE: invention relates to locomotives incorporating gas turbine engine running on liquefied natural gas. Gas turbine locomotive comprises housing with cover and side walls, main power plant made up of two gas turbine engines articulated with auxiliary diesel. There is a Stirling engine mounted behind the turbine of each gas turbine engine in engine nacelles attached to appropriate side wall of locomotive housing. Gas turbine locomotive power plant represents a gas turbine engine comprising the first and second loops, inner and outer shafts with blower fitted on the inner shaft and a compressor fitted on outer shaft, and, at least, one vane wheel rotor fitted on outer shaft. There is a combustion chamber arranged between the compressor and turbine, air intake, turbine and jet nozzle. Aforesaid Stirling engine is articulated with inner shaft and communicates, via heat carrier circulation lines, with the outer combustion chamber. The said engine is made up of two groups of cylinders, i.e. working and piston cylinders. Note here that working cylinders are arranged in the first loops, while the expansion cylinders are arranged in the second loop. Air branch pipes are connected to the Stirling engine, their ends being brought out into atmosphere.

EFFECT: higher reliability and safety.

8 cl, 9 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 патент РФ на изобретению №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 on 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 power plant of a gas turbine locomotive 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.

Задача создания изобретения: повышение надежности и КПД газотурбовоза.The task of creating the invention: improving the reliability and efficiency of a gas turbine locomotive.

Решение указанных задач достигнуто в газотурбовозе, содержащем корпус, имеющий крышу и боковые стенки, основную силовую установку в виде двух газотурбинных двигателей, а также вспомогательный дизель, соединенные кинематически, отличающемся тем, что применено два газотурбинных двигателя, у которых за турбиной установлен двигатель Стиргинга, установленные, в свою очередь, в мотогондолах, прикрепленных к боковым стенкам корпуса газотурбовоза.The solution of these problems was achieved in a gas turbine locomotive containing a housing having a roof and side walls, a main power unit in the form of two gas turbine engines, and also an auxiliary diesel engine connected kinematically, characterized in that two gas turbine engines are used, in which the Stirling engine is installed behind the turbine, installed, in turn, in nacelles attached to the side walls of the body of a gas turbine.

Решение указанных задач достигнуто в силовой установке газотурбовоза, выполненной в виде газотурбинного двигателя, содержащего первый и второй контуры, внешний и внутренний валы с вентилятором, установленным на внутреннем валу, и компрессор, установленный на внешнем валу, а также, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины, установленное на внешнем валу, и камеру сгорания между компрессором и турбиной, воздухозаборник, турбину и реактивное сопло, отличающегося тем, что за турбиной установлен двигатель Стерлинга, соединенный кинематически с внутренним валом и трубопроводами циркуляции теплоносителя с внешней камерой сгорания, перед камерой сгорания и во втором контуре установлены теплообменники, соединенные трубопроводами рециркуляции с ядерным реактором. Двигатель Стирлинга выполнен из двух групп цилиндров: рабочих и поршневых, при этом рабочие цилиндры размещены в первом контуре, а расширительные - во втором. К двигателю Стирлинга присоединены воздушные патрубки. Концы воздушных патрубков выходят в атмосферу. Концы воздушных патрубков подсоединены к воздухозаборнику, а также к выходу из первых ступеней компрессора.The solution of these problems was achieved in a gas turbine locomotive power plant, made in the form of a gas turbine engine containing the first and second circuits, external and internal shafts with a fan mounted on the internal shaft, and a compressor installed on the external shaft, as well as at least one working a turbine wheel mounted on an external shaft and a combustion chamber between the compressor and the turbine, an air intake, a turbine and a jet nozzle, characterized in that a Stirling engine connected to the kinematic with an internal shaft and coolant circulation pipelines with an external combustion chamber, heat exchangers are installed in front of the combustion chamber and in the second circuit, connected by recirculation pipes to a nuclear reactor. The Stirling engine is made of two groups of cylinders: working and piston, while the working cylinders are located in the first circuit, and expansion cylinders are in the second. Air tubes are connected to the Stirling engine. The ends of the air pipes exit into the atmosphere. The ends of the air pipes are connected to the air intake, as well as to the outlet of the first stages of the compressor.

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 чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 приведена схема газотурбовоза,figure 1 shows a diagram of a gas turbine locomotive,

на фиг.2 - вид А-А,figure 2 is a view aa,

на фиг.3 - приведен вид сбоку,figure 3 is a side view,

на фиг.4 - приведена схема силовой установки газотурбовоза,figure 4 is a diagram of the power plant of a gas turbine locomotive,

на фиг.5 - приведена упрощенная схема силовой установки,figure 5 - shows a simplified diagram of a power plant,

на фиг.6 - приведена схема двигателя Стирлинга,Fig.6 is a diagram of a Stirling engine,

на фиг.7 - приведен разрез Б-Б,Fig.7 is a section bB,

на фиг.8 - приведена схема одного из вариантов силовой установки газотурбовоза,on Fig is a diagram of one of the options for the power plant of a gas turbine,

на фиг.9 - разрез Б-Б.figure 9 is a section bB.

Газотурбовоз 1 содержит корпус 2, состоящий из боковых стенок 3 и крыши 4.Gas turbine 1 contains a housing 2, consisting of side walls 3 and a roof 4.

Корпус 2 установлен на платформе 5. Внутри корпуса 2 установлен вспомогательный дизель 6. К боковым стенкам 3 корпуса 2 прикреплены мотогондолы 7, в которых установлены силовые установки 8. Внутри корпуса 2 установлена внешняя камера сгорания 9. Силовые установки 8 выполнены в виде модернизированных газотурбинных двигателей и могут быть оборудованы реверсом 10. На крыше 4 установлен, по меньшей мере, один аэродинамический стабилизатор 11. Вспомогательный дизель 6 и силовые установки 8 соединены между собой через управляемую муфту 12 соединительным валом 13 и раздаточную коробку 14. Из раздаточной коробки 14 выходит силовой вал 15, другой конец которого соединен с электрогенератором 16, который кабелем 17 соединен с тяговым приводом (приводами) 18, который (которые) соединены с колесными парами 19. Колесные пары 19 установлены на рельсах 20 (фиг.2 и 3).The housing 2 is installed on the platform 5. An auxiliary diesel engine is installed inside the housing 2. The nacelles 7 are attached to the side walls 3 of the housing 2, in which the power plants are installed 8. The external combustion chamber 9 is installed inside the housing 2. The power plants 8 are designed as modernized gas turbine engines and can be equipped with a reverse 10. At least one aerodynamic stabilizer 11 is installed on the roof 4. The auxiliary diesel engine 6 and power plants 8 are interconnected via a controlled coupling 12 the shaft 13 and the transfer case 14. A power shaft 15 exits from the transfer case 14, the other end of which is connected to an electric generator 16, which is connected by a cable 17 to the traction drive (s) 18, which (which) are connected to the wheel pairs 19. Wheel sets 19 are installed on rails 20 (figure 2 and 3).

Силовая установка (фиг.4 и 5) содержит два контура: первый 21 и второй 22, соответственно два вала: внутренний 23 и наружный 24, т.е. силовая установка 8 представляет собой газотурбинный двигатель, который выполнен двухконтурным по двухвальной схеме. Кроме того, двигатель содержит воздухозаборник 25, вентилятор 26, компрессор 27, камеру сгорания 28 и турбину 29. Турбина 28 может содержать одну или несколько ступеней. Далее конструкция двигателя описывается на примере одноступенчатой турбины. Турбина 29 содержит рабочее колесо 30. На выходе из обоих контуров 21 и 22 выполнено реактивное сопло 31, внутри которого установлен смеситель 32 для перемешивания потоков первого и второго контуров.The power plant (figures 4 and 5) contains two circuits: the first 21 and second 22, respectively, two shafts: inner 23 and outer 24, i.e. the power plant 8 is a gas turbine engine, which is made dual-circuit in a two-shaft scheme. In addition, the engine comprises an air intake 25, a fan 26, a compressor 27, a combustion chamber 28, and a turbine 29. The turbine 28 may comprise one or more stages. Further, the engine design is described by the example of a single-stage turbine. The turbine 29 contains an impeller 30. At the outlet of both circuits 21 and 22, a jet nozzle 31 is made, inside which a mixer 32 is installed for mixing the flows of the first and second circuits.

Силовая установка 8 содержит систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 33, подключенным к входу в топливный насос 34, имеющий привод 35, топливопровод высокого давления 36, вход которого соединен с топливным насосом 34, а выход соединен с кольцевым коллектором 37, кольцевой коллектор 37 соединен с форсунками 38 камеры сгорания 28.The power unit 8 contains a fuel supply system with a low pressure fuel line 33 connected to the inlet of the fuel pump 34 having a drive 35, a high pressure fuel line 36, the input of which is connected to the fuel pump 34, and the output is connected to the annular manifold 37, the annular manifold 37 is connected to nozzles 38 of the combustion chamber 28.

Компрессор 27 содержит ротор компрессора 39 с внешним валом 24. На внешнем валу 24 установлено рабочее колесо турбины 30.The compressor 27 comprises a compressor rotor 39 with an external shaft 24. An impeller of a turbine 30 is mounted on the external shaft 24.

Внутренний вал 23 проходит внутри внешнего вала 24 и установлен на опорах 40, внешний вал 24 установлен на опорах 41. Внутренний вал 23 соединен с одной стороны с вентилятором 26, а с другой - с двигателем Стирлига 42. К двигателю Стирлинга 42 подсоединен воздушный патрубок 43 (или несколько воздушных патрубков 43, другой конец которого выходит либо в атмосферу, либо в воздухозаборник 25, либо к первым ступеням компрессора 27, либо выходят во второй контур 22. Выхлопные патрубки 44 предназначены для выброса подогретого воздуха из двигателя Стирлинга 42 и выходят внутрь реактивного сопла 31 в полость «В».The inner shaft 23 extends inside the outer shaft 24 and is mounted on the bearings 40, the outer shaft 24 is mounted on the bearings 41. The inner shaft 23 is connected on one side to the fan 26, and on the other to the Stirlig 42 engine. An air pipe 43 is connected to the Stirling 42 engine (or several air pipes 43, the other end of which either goes into the atmosphere, or into the air intake 25, or to the first stages of the compressor 27, or goes into the second circuit 22. The exhaust pipes 44 are designed to discharge heated air from the Stirling engine 42 and exit chyat inside the jet nozzle 31 into the cavity "B".

Отличительной особенностью силовой установки является наличие двигателя Стирлинга 42 за турбиной 29, конкретно за рабочим колесом турбины 30.A distinctive feature of the power plant is the presence of the Stirling engine 42 behind the turbine 29, specifically behind the impeller of the turbine 30.

Двигатель Стирлинга 42 состоит из двух частей: группы рабочих цилиндров 45 и группы вытеснительных цилиндров 46, которые соединены трубопроводами 47. Группу вытеснительных цилиндров 46 предпочтительно теплоизолировать от газового тракта газотурбинного двигателя ГТД. Число рабочих цилиндров 45 равно числу вытеснительных цилиндров 46. По объему вытеснительные цилиндры 46 больше, чем рабочие цилиндры 45.The Stirling engine 42 consists of two parts: a group of working cylinders 45 and a group of displacement cylinders 46, which are connected by pipelines 47. It is preferable to insulate a group of displacement cylinders 46 from the gas path of a gas turbine engine. The number of working cylinders 45 is equal to the number of displacement cylinders 46. The volume of displacement cylinders 46 is greater than the working cylinders 45.

Силовая установка содержит (фиг.3) внешнюю камеру сгорания 3 с теплообменником 48, соединенным трубопроводами рециркуляции теплоносителя соответственно подводящим 49 и отводящим 50 с двигателем Стирлинга 42, точнее с полостями нагрева «Г» рабочих цилиндров 45 (фиг.2). Между теплообменником 48 и подводящим трубопроводом рециркуляции теплоносителя 49 установлен насос теплоносителя 51 с приводом 52, а отводящий трубопровод рециркуляции теплоносителя 50 соединяет двигатель Стирлинга 42 с теплообменником 48 для отвода теплоносителя. В качестве теплоносителя предпочтительно использовать воду.The power plant contains (Fig. 3) an external combustion chamber 3 with a heat exchanger 48 connected by coolant recirculation pipelines respectively supplying 49 and discharging 50 to the Stirling engine 42, more precisely, to the heating cavities “G” of the working cylinders 45 (Fig. 2). Between the heat exchanger 48 and the coolant recirculation inlet pipe 49, a coolant pump 51 with a drive 52 is installed, and the coolant recirculation pipe 50 connects the Stirling engine 42 to the heat exchanger 48 to remove the coolant. The heat carrier is preferably water.

В одном из вариантов исполнения возможно подсоединение воздушного патрубка 43 (воздушных патрубков 43) к воздухозаборнику 25 или к первым ступеням компрессора 26 посредством одного или нескольких трубопроводов 53 (фиг.2).In one embodiment, it is possible to connect the air pipe 43 (air pipes 43) to the air intake 25 or to the first stages of the compressor 26 through one or more pipelines 53 (figure 2).

Возможна установка расширительных цилиндров 46 во втором контуре 22 (фиг.5 и 6), в этом случае охлаждение производится воздухом второго контура, имеющим температуру около 100°С, что значительно ниже температуры теплоносителя ядерного реактора.It is possible to install expansion cylinders 46 in the second circuit 22 (FIGS. 5 and 6), in this case, cooling is carried out by the air of the second circuit having a temperature of about 100 ° C, which is much lower than the temperature of the coolant of a nuclear reactor.

На фиг.6 и 7 приведена схема одного из вариантов исполнения двигателя Стирлинга 42, который содержит группу рабочих цилиндров 45, имеющих оребрение и заключенных в рабочие кожухи 55, имеющие наружное оребрение 56 с образованием между ними полости нагрева «Г», заполненной теплоносителем. Внутри каждого рабочего цилиндра 45 установлен рабочий поршень 57, который шатуном 58 соединен с внутренним валом двигателя 23. Между рабочим цилиндром 45 и рабочим поршнем 57 образуется рабочая полсть «Д», заполненная рабочим телом, например гелием.Figures 6 and 7 show a diagram of one embodiment of the Stirling engine 42, which contains a group of working cylinders 45 having fins and enclosed in working casings 55 having external fins 56 with the formation of a heating cavity “G” between them filled with a coolant. Inside each working cylinder 45, a working piston 57 is installed, which is connected by a connecting rod 58 to the internal shaft of the engine 23. A working cavity “D” is formed between the working cylinder 45 and the working piston 57, filled with a working fluid, such as helium.

Также двигатель Стирлинга 42 содержит группу вытеснительных цилиндров 46, которые могут быть установлены в кожухи охлаждения 59 или установлены без них во втором контуре 22 двигателя (фиг.5 и 6). Между кожухом охлаждения 59 и вытеснительным цилиндром 46 образуется полость охлаждения «Е». При установке вытеснительных цилиндров 46 во втором контуре 22 кожух охлаждения 59 не нужен.Also, the Stirling engine 42 contains a group of displacement cylinders 46, which can be installed in the cooling casings 59 or installed without them in the second circuit 22 of the engine (Fig.5 and 6). Between the cooling casing 59 and the displacement cylinder 46, a cooling cavity “E” is formed. When installing the displacement cylinders 46 in the second circuit 22, the cooling casing 59 is not needed.

Внутри каждого вытеснительного цилиндра 46 в полости «Ж» установлен вытеснительный поршень 60. Вытеснительный поршень 60 соединен шатуном 61 с внутренним валом двигателя 23. Трубопровод (ы) 47 соединяет (ют) полости «Д» и «Ж» для перетекания рабочего тела из рабочих цилиндров 45 в вытеснительные цилиндры 46. К полости «Г» подсоединены воздушные патрубки 43, а выхлопные трубы 44 соединяют полость «Г» с внутренней полостью «В» реактивного сопла 31 (фиг.1). К внешней камере сгорания 3 пристыкован дополнительный топливопровод 62, содержащий клапан-регулятор 63 (фиг.1), предназначенный для управления подачей топлива во внешнюю камеру сгорания 9. Система подачи воздуха во внешнюю камеру сгорания 3 показана на фиг.8, сжатый воздух предпочтительно отобрать от компрессора 27. Так как габариты внешней камеры сгорания 9 и теплообменника 48 не ограничены габаритами силовой установки, они могут быть спроектированы достаточно большими, чтобы получить КПД дополнительной камеры сгорания 9 и теплообменника 48 практически 100%. В то же время известно, что КПД камер сгорания современных авиационных ГТД не превышает 95%, а КПД теплообменника можно получить сколь угодно большим, но при условии значительного увеличения площади теплообмена, а следовательно, габаритов и веса теплообменника. В нашем случае применение внешней камеры сгорания 9 (установленной вне силовой установки 8) и теплообменника 48, установленного за ней в корпусе 2, позволяет использовать свободный объем внутри корпуса 2 газотурбовоза 1. Эти мероприятия дополнительно повысят КПД силовой установки на 5…7%.Inside each displacement cylinder 46, a displacement piston 60 is installed in the cavity “Zh”. The displacement piston 60 is connected by a connecting rod 61 to the internal shaft of the engine 23. Pipeline (s) 47 connects the cavities “D” and “Zh” to allow the working fluid to flow from the working fluid cylinders 45 into displacement cylinders 46. Air tubes 43 are connected to the cavity “G”, and exhaust pipes 44 connect the cavity “G” to the internal cavity “B” of the jet nozzle 31 (FIG. 1). An additional fuel line 62 is connected to the external combustion chamber 3, comprising a control valve 63 (FIG. 1), designed to control the supply of fuel to the external combustion chamber 9. The air supply system to the external combustion chamber 3 is shown in FIG. 8, it is preferable to take off compressed air from the compressor 27. Since the dimensions of the external combustion chamber 9 and the heat exchanger 48 are not limited by the dimensions of the power plant, they can be designed large enough to obtain the efficiency of the additional combustion chamber 9 and the heat exchanger 48 p Practical 100%. At the same time, it is known that the efficiency of the combustion chambers of modern aviation gas turbine engines does not exceed 95%, and the efficiency of the heat exchanger can be obtained arbitrarily large, but subject to a significant increase in the heat transfer area, and therefore, the dimensions and weight of the heat exchanger. In our case, the use of an external combustion chamber 9 (installed outside the power plant 8) and a heat exchanger 48 installed behind it in the housing 2, allows you to use the free volume inside the housing 2 of the gas turbine 1. These measures will additionally increase the efficiency of the power plant by 5 ... 7%.

При работе ГТД осуществляют его запуск стартером (стартер на фиг.1…4 не показан). Потом включают привод топливного насоса 35 и топливный насос 34 подает топливо в камеру сгорания 28, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1…7 не показано). В результате продукты сгорания проходят через рабочее колесо турбины 30 и раскручивают его и внешний вал 24, а также ротор компрессора 38. Через 5…7 мин тепло выхлопных газов и одновременно теплоноситель, подаваемый по подводящим трубопроводом рециркуляции теплоносителя 49, прогревает рабочие цилиндры 45 двигателя Стерлинга 42. Двигатель Стирлинга 42 приводится в действие и через внутренний вал 23 раскручивает вентилятор 26. Подогретое рабочее тело расширяется в расширительных цилиндрах 46. В результате двигатель запущен и готов к работе. Отключение двигателя производится в обратном порядке. Управление двигателем по режимам не отличается от управления традиционными ГТД.During the operation of the gas turbine engine, it is started by the starter (the starter in Figs. 1 ... 4 is not shown). Then, the drive of the fuel pump 35 is turned on and the fuel pump 34 delivers the fuel to the combustion chamber 28, where it is ignited using an electric igniter (not shown in FIGS. 1 ... 7). As a result, the combustion products pass through the impeller of the turbine 30 and untwist it and the external shaft 24, as well as the compressor rotor 38. After 5 ... 7 min, the heat of the exhaust gases and the coolant supplied through the coolant recirculation supply pipe 49 heats the working cylinders 45 of the Sterling engine 42. The Stirling engine 42 is driven and through the internal shaft 23 spins the fan 26. The heated working fluid expands in the expansion cylinders 46. As a result, the engine is started and ready for operation. The engine is shut off in the reverse order. The control of the engine by modes does not differ from the control of traditional gas turbine engines.

При работе силовой установки газотурбовоза по его контурам температуры распределяются следующим образом:During the operation of a gas turbine locomotive power plant, temperatures are distributed according to its contours as follows:

Т₀ - температура воздуха на входе в двигатель,T ₀ - air temperature at the engine inlet,

- Т₁ -температура воздуха во втором контуре,- T ₁ - air temperature in the second circuit,

- Т₂ - температура воздуха во втором контуре после вытеснительных цилиндров,- T ₂ - air temperature in the second circuit after the displacement cylinders,

- Т₃ - температура продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания,- T ₃ - temperature of the combustion products at the outlet of the combustion chamber,

- Т₄ - температура продуктов сгорания на выходе из теплообменника,- T ₄ - temperature of the combustion products at the outlet of the heat exchanger,

- Т₅ - температура продуктов сгорания на выходе из двигателя Стирлинга,- T ₅ - temperature of the combustion products at the exit of the Stirling engine,

- Т₆ - температура смеси на выходе из реактивного сопла,- T ₆ - temperature of the mixture at the outlet of the jet nozzle,

- Т₇ - температура продуктов сгорания на выходе из внешней камеры сгорания. Применение изобретения позволило следующее.- T ₇ - temperature of the combustion products at the outlet of the external combustion chamber. The application of the invention allowed the following.

1. Повысить надежность локомотива за счет связи при помощи трансмиссии и раздаточной коробки двух типов двигательных установок: газотурбинных двигателей, скомбинированных с двигателями Стирлинга, и вспомогательного дизеля и возможности продолжения движения при отказе одного из них.1. To increase the reliability of the locomotive through communication with the transmission and transfer case of two types of propulsion systems: gas turbine engines combined with Stirling engines, and an auxiliary diesel engine and the possibility of continued movement in case of failure of one of them.

2. Обеспечить работу газотурбовоза в нормальном режиме при отказе одного газотурбинного двигателя, скомбинированного с двигателем Стирлинга, за счет того, что основная доля тяги будет по-прежнему создаваться колесными парами.2. Ensure the operation of the gas turbine locomotive in the normal mode in case of failure of one gas turbine engine combined with the Stirling engine, due to the fact that the main share of the thrust will continue to be created by wheel pairs.

3. Обеспечить движение с небольшой скоростью при отказе двух силовых установок (газотурбинных двигателей, скомбинированных с двигателем Стирлинга) за счет использования вспомогательного дизеля (дизельного двигателя внутреннего сгорания), приводящего в действие электрогенератор через раздаточную коробку.3. To provide movement at low speed in case of failure of two power plants (gas turbine engines combined with a Stirling engine) through the use of an auxiliary diesel engine (diesel internal combustion engine), which drives the electric generator through a transfer case.

4. Обеспечить маневрирование газотурбовоза с применением вспомогательного дизеля.4. To provide maneuvering of a gas turbo locomotive using an auxiliary diesel engine.

5. Повысить КПД газотурбовоза за счет:5. To increase the efficiency of the gas turbine due to:

- более высокого КПД силовых установок (комбинированных двигателей) по сравнению с газотурбинными,- higher efficiency of power plants (combined engines) compared with gas turbine,

- более рациональной компоновки турбовинтовых двигателей, а именно наличия двух каскадов компрессора и турбины у силовых установок и регенерации тепла в теплообменнике, установленном за внешней камерой сгорания.- a more rational arrangement of turboprop engines, namely the presence of two stages of a compressor and a turbine in power plants and heat recovery in a heat exchanger installed behind an external combustion chamber.

6. Улучшить весовые характеристики и уменьшить осевой габарит силовой установки за счет применения биротативной схемы.6. To improve the weight characteristics and reduce the axial dimension of the power plant due to the use of a birotative scheme.

7. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора газотурбинного двигателя без раскручивания другого ротора.7. Facilitate starting by spinning up only one rotor of a gas turbine engine without spinning another rotor.

8. Облегчить условия работы роторов газотурбинных двигателей за счет возможности взаимного проскальзывания одного из двух роторов и их работы на различающихся частотах вращения.8. To facilitate the working conditions of the rotors of gas turbine engines due to the possibility of mutual slipping of one of the two rotors and their operation at different speeds.

9. Уменьшить вес и габариты газотурбинных двигателей за счет применения биротативной схемы роторов.9. To reduce the weight and dimensions of gas turbine engines due to the use of a rotational scheme of rotors.

10. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов газотурбинных двигателей без применения редуктора.10. Ensure the opposite rotation of the stages of the rotors of gas turbine engines without the use of a gearbox.

11. Улучшить запуск и приемистость двигателя на переходных режимах за счет применения углеводородного топлива и тепловой энергии, вырабатываемой во внешней камере сгорания, имеющей относительно большие размеры и КПД.11. Improve engine starting and throttle response in transient conditions due to the use of hydrocarbon fuel and thermal energy generated in the external combustion chamber, which has a relatively large size and efficiency.

12. Повысить надежность двигателя за счет того, что при отказе одной энергетической системы - камеры сгорания или внешней камеры сгорания - двигатель может продолжать работу, не снижая своей мощности или тяги, что особенно важно в авиации.12. To increase the reliability of the engine due to the fact that in the event of a failure of one energy system - the combustion chamber or external combustion chamber - the engine can continue to work without reducing its power or thrust, which is especially important in aviation.

13. Повысить КПД газотурбинного двигателя за счет более рациональной компоновки двигателя, второго контура, дающего дополнительную тягу, отсутствия жесткой кинематической связи между двумя валами. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор и турбину, и двигатель Стирлинга с вентилятором.13. To increase the efficiency of the gas turbine engine due to a more rational layout of the engine, the second circuit, which gives additional traction, the absence of a rigid kinematic connection between the two shafts. This allowed us to design the optimal compressor and turbine, and the Stirling engine with a fan.

14. Улучшить надежность силовой установки за счет уменьшения числа ступеней турбины до одной ступени и распределения большей части нагрузки на двигатель Стирлинга.14. Improve the reliability of the power plant by reducing the number of turbine stages to one stage and distributing most of the load on the Stirling engine.

15. Создать благоприятные условия для работы вентилятора и двигателя Стирлинга, согласовав их оптимальные расчетные угловые скорости вращения вентилятора. Кроме того, применение двухвальной схемы двигателя позволит развязать механически рабочее колесо и ротор турбины и компрессора с одной стороны от вентилятора и двигателя Стирлинга, работа которых при запуске и на переходных режимах значительно различаются, например, по частоте вращения валов и по приемистоти.15. Create favorable conditions for the operation of the fan and the Stirling engine by agreeing on their optimal calculated angular rotational speeds of the fan. In addition, the use of a two-shaft engine circuit will allow you to mechanically decouple the impeller and rotor of the turbine and compressor on the one hand from the fan and the Stirling engine, the operation of which at startup and in transient conditions varies significantly, for example, in terms of shaft speed and acceleration speed.

16. Обеспечить оптимальную работу двигателя на переходных режимах, вследствие того, что незначительная составляющая мощности создается газотурбинным двигателем, а на крейсерском режиме вступает в работу двигатель Стирлинга, имеющий большой КПД. Это значительно уменьшит расход топлива, что имеет важное значение в связи с исчерпанием ресурсов углеводородного топлива, его удорожанием и отсутствием альтернативы этому виду топлива. Применение водорода, имеющего стоимость в сотни раз большую чем керосин, в ближайшие 100 лет нецелесообразно, а использование сжиженного природного газа СПГ, имеющего стоимость как минимум в 2 раза меньше, чем керосин или дизельное топливо, перспективно.16. Ensure optimal operation of the engine in transient conditions, due to the fact that an insignificant component of power is created by a gas turbine engine, and at cruising mode the Stirling engine comes into operation, having a high efficiency. This will significantly reduce fuel consumption, which is important in connection with the exhaustion of hydrocarbon fuel resources, its cost and lack of alternatives to this type of fuel. The use of hydrogen, which has a cost hundreds of times greater than kerosene, is not practical in the next 100 years, and the use of liquefied natural gas LNG, which has a cost of at least 2 times less than kerosene or diesel fuel, is promising.

17. Облегчить условия работы вентилятора за счет его нежесткой связи с валом компрессора и возможности их взаимного проскальзывания и рассогласования оборотов ротора компрессора и ротора вентилятора.17. To facilitate the working conditions of the fan due to its non-rigid connection with the compressor shaft and the possibility of their mutual slipping and mismatch of the rotor speeds of the compressor rotor and the fan rotor.

18. Облегчить запуск и останов силовой установки за счет применения двухвальной схемы.18. Facilitate the start and stop of the power plant through the use of a two-shaft scheme.

19. Уменьшить вес и габариты силовой установки и общий вес энергетической установки за счет применения дополнительной выносной камеры сгорания.19. To reduce the weight and dimensions of the power plant and the total weight of the power plant through the use of an additional remote combustion chamber.

20. Снизить стоимость силовой установки за счет отказа от дорогостоящих материалов, используемых при изготовлении турбины, и решить проблему охлаждения турбины, во первых, снизив температуру перед ней, во-вторых, направив весь охлаждающий воздух на охлаждение только одной ступени турбины, вместо 4-х…5-ти ступеней, применяемых ране на мощных газотурбинных двигателях.20. To reduce the cost of the power plant due to the rejection of expensive materials used in the manufacture of the turbine, and to solve the problem of cooling the turbine, firstly, by lowering the temperature in front of it, and secondly, by directing all the cooling air to cool only one stage of the turbine, instead of 4- x ... 5 steps used by the wound on powerful gas turbine engines.

Claims

1. A gas turbine locomotive comprising a housing having a roof and side walls, a main power unit in the form of two gas turbine engines and an auxiliary diesel engine connected kinematically, characterized in that two gas turbine engines are used, in which a Stirling engine is installed behind the turbine and installed in turn, in nacelles attached to the side walls of the gas turbine locomotive body.

2. The power plant of the gas turbine, made in the form of a gas turbine engine containing the first and second circuits, the outer and inner shafts with a fan mounted on the inner shaft, and a compressor mounted on the outer shaft, as well as at least one impeller of the turbine, mounted on the external shaft, and a combustion chamber between the compressor and the turbine, an air intake, a turbine and a jet nozzle, characterized in that a Stirling engine connected kinematically to the internal shaft and a pipe are installed behind the turbine In order to circulate the heat carrier with the heat exchanger installed behind the external combustion chamber, heat exchangers are connected in front of the combustion chamber and in the second circuit, connected by recirculation pipes to the heat exchanger installed behind the external combustion chamber.

3. The gas turbine locomotive power plant according to claim 2, characterized in that the Stirling engine is made of two groups of cylinders: working and piston, while the working cylinders are located in the first circuit, and expansion cylinders are in the second.

4. The power plant of a gas turbine locomotive according to claim 2 or 3, characterized in that air tubes are connected to the Stirling engine.

5. The power plant of a gas turbine locomotive according to claim 4, characterized in that the ends of the air pipes exit into the atmosphere.

6. The power plant of a gas turbine locomotive according to claim 4, characterized in that the ends of the air pipes are connected to the air intake.

7. The gas turbine locomotive power plant according to claim 4, characterized in that the ends of the air nozzles are connected to the outlet of the first stages of the compressor.