RU2374103C1

RU2374103C1 - Gas turbine locomotive and principal power plant of gas turbine locomotive

Info

Publication number: RU2374103C1
Application number: RU2008112021/11A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-11-27

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to gas turbine locomotive running on liquefied natural gas. Proposed gas turbine locomotive comprises housing accommodating principal power plant represented by gas turbine engine with its shaft coupled with electric generator, and auxiliary diesel. Note here that gas turbine engine is mounted vertically. Principal power plant comprises turbo compressor with housing, compressor, combustion chamber with its outlet communicated, via gas passage, with turbine and jet nozzle. Birotary compressor consists of two turbo compressors running in opposite directions and having shafts supporting compressor impellers and turbine wheels. One shaft of principal power plant is linked, via transmission, with auxiliary diesel. Outer housing is arranged concentric relative to turbo compressor shafts. Jet nozzle communicates with outer housing and locomotive housing roof. Combustion chamber is attached to outer housing.

EFFECT: higher reliability, reduced weight and sizes.

6 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, конкретно к локомотивам, с силовой установкой, выполненной на базе газотурбинного двигателя, который в качестве топлива использует сжиженный природный газ.The invention relates to railway transport, specifically to locomotives, with a power plant based on a gas turbine engine that uses liquefied natural gas as fuel.

Работы по созданию газотурбовоза проведены в СССР и за рубежом. 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. The most intensive work on gas turbine locomotives was first launched in France and led to the creation of a gas turbine locomotive.

Известен газотурбовоз с комбинированной силовой установкой, который содержит газотурбинный двигатель, дизель и электрический генератор, вал которого связан механически с силовой установкой (см. Е.Т.Бартош «Газотурбовозы и турбопоезда», М., «Транспорт», 1978, стр.227-230).A gas turbine locomotive with a combined power plant is known, which contains a gas turbine engine, a diesel engine and an electric generator, the shaft of which is mechanically connected to the power plant (see E.T. Bartosh "Gas Turbine and Turbo-Trains", M., "Transport", 1978, p. 227 -230).

Задачи настоящего изобретения: повышение надежности газотурбовоза и увеличение вертикальной составляющей тяги.Objectives of the present invention: improving the reliability of a gas turbine locomotive and increasing the vertical component of thrust.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что газотурбовоз содержит силовую установку, установленную вертикально в центральной части фюзеляжа и соединенную с тяговыми приводами при помощи трансмиссии, при этом основная силовая установка служит для создания вертикальной составляющей тяги, выполнена в виде биротативного газотурбинного двигателя.The solution to these problems was achieved due to the fact that the gas turbine locomotive contains a power unit mounted vertically in the central part of the fuselage and connected to the traction drives by means of a transmission, while the main power unit serves to create a vertical component of the thrust, made in the form of a biotic turbine engine.

В основной силовой установке содержится турбокомпрессор с корпусом, компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и реактивное сопло. Биротативный турбокомпрессор, два турбокомпрессора которого выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны и содержат валы с рабочими колесами компрессоров и рабочими колесами турбин. Основная силовая установка соединена при помощи трансмиссии с одним из турбокомпрессоров биротативного газотурбинного двигателя. Концентрично валам турбокомпрессоров выполнен внешний корпус. Реактивное сопло соединено с внешним корпусом при помощи ребер. Камера сгорания также прикреплена к внешнему корпусу.The main power plant contains a turbocompressor with a housing, a compressor, a combustion chamber, the output of which is connected by a gas path to the turbine, and a jet nozzle. A biotic turbocharger, two turbochargers of which are rotatable in opposite directions and contain shafts with compressor impellers and turbine impellers. The main power plant is connected via a transmission to one of the turbocompressors of the birotational gas turbine engine. Concentric to the shafts of the turbochargers is an external housing. The jet nozzle is connected to the outer casing by ribs. The combustion chamber is also attached to the outer casing.

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…3, гдеThe invention is illustrated in figure 1 ... 3, 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 приведена схема основной силовой установки газотурбовоза.figure 3 shows a diagram of the main power plant of a gas turbine locomotive.

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

Корпус 2 установлен на шасси 5. В центральной части корпуса 2 установлена основная силовая установка 6 и вспомогательный дизель 7, соединенные между собой через муфту 8 соединительным валом 9. Два воздухозаборника 10 выполнены в передней части боковых стенок корпуса 2, на крылышке 4 установлена выхлопная труба 11. Электрогенератор 12 соединен механически с основной силовой установкой 6. Электрическая часть электрогенератора 12 соединена с тяговыми приводами 13 колесных пар 14 при помощи кабелей 15. Электрогенератор 12 находится в воздухозаборнике 10, что улучает его охлаждение. Для более эффективного охлаждения электрогенератора на его поверхности следует выполнить оребрение. Кроме того, регенерация части тепла на входе в основную силовую установку повысит ее КПД на 3…5%. Шасси 5 при помощи колесных пар 14 установлено на рельсах 16.The body 2 is mounted on the chassis 5. In the central part of the body 2, the main power unit 6 and the auxiliary diesel 7 are installed, interconnected via a coupling 8 by a connecting shaft 9. Two air intakes 10 are made in front of the side walls of the body 2, an exhaust pipe is installed on the wing 4 11. The generator 12 is connected mechanically to the main power unit 6. The electrical part of the generator 12 is connected to the traction drives 13 of the wheelsets 14 using cables 15. The generator 12 is located in the air intake 10, which improves its cooling. For more efficient cooling of the generator on its surface, finning should be performed. In addition, the regeneration of part of the heat at the entrance to the main power plant will increase its efficiency by 3 ... 5%. The chassis 5 using the wheelset 14 is mounted on the rails 16.

Основная силовая установка 6 (фиг.2) содержит входное устройство 17 и два турбокомпрессора: первый - 18 и второй - 19, выполненных по биротативной схеме, т.е. без сопловых и направляющих аппаратов, с возможностью вращения в противоположные стороны. Турбокомпрессор 18 содержит компрессор низкого давления 20 и турбину низкого давления 21. Компрессор низкого давления 20 содержит по меньшей мере одно рабочее колесо компрессора 22. Турбина низкого давления 21 содержит по меньшей мере одно рабочее колесо турбины 23. Рабочие колеса компрессора 22 и рабочее колесо (колеса) турбины 23 соединены внутренним валом 24 первого турбокомпрессора 18. Второй турбокомпрессор 19 содержит компрессор высокого давления 25 и турбину высокого давления 26. Компрессор высокого давления 25 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 22, а турбина высокого давления 25 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 23. Рабочее колесо (колеса) 22 компрессора высокого давления 25 и рабочее колесо (колеса) 22 турбины высокого давления 26 соединены внешним валом 27. Валы 24 и 27 установлены на подшипниках 28. Двигатель имеет внешний корпус 29, к которому крепится камера сгорания 30 с форсунками 31, к внешнему корпусу 30 также крепятся входное устройство 17 при помощи ребер 32 и реактивное сопло 33 при помощи ребер 34. Перед камерой сгорания 30 установлен спрямляющий направляющий аппарат 35.The main power plant 6 (Fig. 2) contains an input device 17 and two turbocompressors: the first - 18 and the second - 19, made according to the birotative scheme, i.e. without nozzle and guide vanes, with the possibility of rotation in opposite directions. The turbocharger 18 comprises a low pressure compressor 20 and a low pressure turbine 21. The low pressure compressor 20 contains at least one impeller of the compressor 22. The low pressure turbine 21 contains at least one impeller of the turbine 23. The impellers of the compressor 22 and the impeller (wheels ) the turbines 23 are connected by the inner shaft 24 of the first turbocompressor 18. The second turbocompressor 19 comprises a high pressure compressor 25 and a high pressure turbine 26. The high pressure compressor 25 contains at least one the kick wheel of the compressor 22, and the high-pressure turbine 25 contains at least one impeller of the turbine 23. The impeller (wheels) 22 of the high-pressure compressor 25 and the impeller (wheels) 22 of the high-pressure turbine 26 are connected by an external shaft 27. Shafts 24 and 27 are mounted on bearings 28. The engine has an outer casing 29, to which a combustion chamber 30 with nozzles 31 is attached, an input device 17 with fins 32 and a jet nozzle 33 with fins 34 are also attached to the outer casing 30. A combustion chamber 30 is mounted in front of straightening guide vane 35.

Топливная система основной силовой установки 6 содержит топливопровод 36, в котором установлен топливный насос 37, соединенный с приводом 38. Основная силовая установка 6 установлена вертикально в центре корпуса 2 газотурбовоза (локомотива) 1 (фиг.1 и 2).The fuel system of the main power plant 6 includes a fuel line 36 in which a fuel pump 37 is connected to the drive 38. The main power plant 6 is installed vertically in the center of the body 2 of a gas turbine locomotive (locomotive) 1 (FIGS. 1 and 2).

При работе сначала запускают вспомогательный дизель 7, потом основную силовую установку 6 при помощи вспомогательного дизеля 7, выполняющего функцию стартера, раскручивают один из турбокомпрессоров 18 или 19, запускают привод 38, который раскручивает топливный насос 37, топливо (сжиженный природный газ - СПГ) по топливопроводу 36 подается в форсунки 31 камеры сгорания 30, где воспламеняется при помощи пирозапальника или электрозапальника (не показан). Продукты сгорания проходят через турбину высокого давления 26 и турбину низкого давления 21. Мощность с турбин 21 и 26 передается на компрессоры 20 и 25, которые сжимают воздух, идущий в камеру сгорания 30. Электрогенератор 12 вырабатывает электрический ток, который по кабелю 15 подается на тяговые приводы 13, колесные пары, оборудованные этими приводами, создают тягу газотурбовоза (локомотива) 1.During operation, the auxiliary diesel engine 7 is first launched, then the main power unit 6 is launched using an auxiliary diesel engine 7, which serves as a starter, one of the turbochargers 18 or 19 is untwisted, the drive 38 is launched, which untwists the fuel pump 37, fuel (liquefied natural gas - LNG) the fuel line 36 is fed into the nozzles 31 of the combustion chamber 30, where it is ignited using a pyrozapalnik or an electric igniter (not shown). The combustion products pass through a high-pressure turbine 26 and a low-pressure turbine 21. The power from the turbines 21 and 26 is transmitted to compressors 20 and 25, which compress the air flowing into the combustion chamber 30. The electric generator 12 generates an electric current, which is supplied via cable 15 to the traction drives 13, wheel sets equipped with these drives create traction of a gas turbo locomotive (locomotive) 1.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Повысить надежность локомотива за счет связи при помощи трансмиссии двух двигательных установок: основной силовой и вспомогательного дизеля, и обеспечить возможность продолжения движения при отказе одной из них.1. To increase the reliability of the locomotive through communication with the transmission of two propulsion systems: the main power and auxiliary diesel, and to ensure the possibility of continued movement in case of failure of one of them.

2. Обеспечить маневрирование газотурбовоза с применением вспомогательного дизеля.2. To provide maneuvering of a gas turbo locomotive using an auxiliary diesel engine.

3. Повысить КПД всех двигательных силовых установок за счет более рациональной компоновки всех силовых установок, наличия двух каскадов компрессора и турбины у всех силовых установок и регенерации тепла на входе в основную силовую установку. Особенно значительно улучшены тяговые и весовые характеристики и уменьшен осевой габарит основной силовой установки локомотива счет применения биротативной схемы.3. To increase the efficiency of all propulsion systems due to a more rational layout of all propulsion systems, the presence of two stages of a compressor and a turbine for all propulsion systems, and heat recovery at the entrance to the main power plant. The traction and weight characteristics are especially significantly improved and the axial dimension of the main power plant of the locomotive is reduced due to the use of a biotic scheme.

4. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора основной силовой установки без раскручивания другого ротора.4. Facilitate starting by promoting only one rotor of the main power plant without unwinding the other rotor.

5. Облегчить условия работы роторов основной силовой установки за счет отсутствия его механической связи с валами турбокомпрессоров и возможности их взаимного проскальзывания и работы на различающихся частотах вращения.5. To facilitate the working conditions of the rotors of the main power plant due to the lack of its mechanical connection with the shafts of the turbocompressors and the possibility of their mutual slippage and operation at different speeds.

6. Уменьшить вес и габариты основной силовой установки, особенно осевой габарит, что важно для газотурбовоза при вертикальном расположении основной силовой установки за счет применения биротативной схемы.6. To reduce the weight and dimensions of the main power plant, especially the axial dimension, which is important for a gas turbine locomotive with a vertical layout of the main power plant due to the use of a biotic scheme.

7. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов основной силовой установки без применения редуктора.7. Ensure the opposite rotation of the stages of the rotors of the main power plant without the use of a gearbox.

8. Обеспечить эффективное расположение электрогенератора за счет его расположения в воздухозаборнике.8. Ensure the effective location of the generator due to its location in the air intake.

Claims

1. A gas turbine locomotive comprising a housing in which a main power plant is installed in the form of a gas turbine engine, the shaft of which is connected to an electric generator, and an auxiliary diesel engine, characterized in that the gas turbine engine is mounted vertically.

2. The main power plant of a gas turbine locomotive, comprising a turbocompressor with a housing, a compressor, a combustion chamber, the outlet of which is connected by a gas path to the turbine, and a jet nozzle, characterized in that the turbocompressor is biotagged, and consists of two turbocompressors made to rotate in opposite sides, and containing shafts with impellers of the compressors and impellers of the turbines.

3. The main power plant of a gas turbine locomotive according to claim 2, characterized in that one shaft of the main power plant is connected via a transmission to an auxiliary diesel engine.

4. The main power plant of a gas turbine locomotive according to claim 2 or 3, characterized in that the outer casing is made concentrically to the turbocompressor shafts.

5. The main power plant of the gas turbine locomotive of claim 2 or 3, characterized in that the jet nozzle is connected to the outer casing and the roof of the gas turbine locomotive.

6. The main power plant of a gas turbine locomotive of claim 2 or 3, characterized in that the combustion chamber is attached to the outer casing of the main power plant.