RU2380250C2

RU2380250C2 - Gas turbine locomotive

Info

Publication number: RU2380250C2
Application number: RU2008112096/11A
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: 2010-01-27
Also published as: RU2008112096A

Abstract

FIELD: railway equipment.

SUBSTANCE: invention relates to railway equipment, particularly to locomotives with gas turbine power plants running on liquefied natural gas. Gas turbine locomotive comprises frame with roof and sidewalls, coupled gas turbine engine and extra diesel, and two primary power plants located in engine nacelles attached to locomotive sidewalls with the help of aerodynamic wings. Vertical aerodynamic control surface is mounted on locomotive roof.

EFFECT: higher reliability, reduced weight and overall dimensions.

3 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 turbines was first launched in France and led to the creation of a gas turbine.

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 США №3543685 (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 US patent No. 3543685 (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 установки.The task of creating the invention: improving the reliability of the installation.

Решение указанной задачи достигнуто в газотурбовозе, содержащем корпус, имеющий крышу и боковые стенки, основную силовую установка в виде газотурбинного двигателя, а также вспомогательный дизель, соединенные кинематически, отличающемся тем, что применено две основные силовые установки, установленные в мотогондолах, прикрепленных при помощи аэродинамических крыльев к боковым стенкам корпуса газотурбовоза, а на крыше установлен вертикальный аэродинамический руль.The solution to this problem was achieved in a gas turbine locomotive containing a housing having a roof and side walls, a main power plant in the form of a gas turbine engine, and an auxiliary diesel engine connected kinematically, characterized in that two main power plants installed in engine nacelles attached using aerodynamic wings to the side walls of the hull of a gas turbine locomotive, and a vertical aerodynamic steering wheel is installed on the roof.

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 крыши 4.Gas turbine 1 contains a housing 2, consisting of side walls 3 and a roof 4.

Корпус 2 установлен на платформе 5. К боковым стенкам 3 корпуса 2 прикреплены два аэродинамических крыла 6, к которым прикреплены мотогондолы 7, в которых установлены газотурбинные двигатели 8. Внутри корпуса 2 установлен вспомогательный дизель 9, соединенный через управляемую муфту 10 соединительным валом 11 с раздаточной коробкой (редуктор) 12. Тяговые приводы 13 при помощи силовых валов 14 соединены с колесными парами 15. Силовые валы 14 также имеют управляемые муфты 10. На крыше 4 в задней части корпуса 2 установлен вертикальный аэродинамический руль 16, соединенный с приводом 17.The casing 2 is installed on the platform 5. Two aerodynamic wings 6 are attached to the side walls 3 of the casing 2, to which the nacelles 7 are mounted, in which the gas turbine engines are installed 8. Inside the casing 2, an auxiliary diesel engine 9 is connected through a controlled coupling 10 by a connecting shaft 11 to the transfer case box (gear) 12. Traction drives 13 are connected to the wheel pairs by means of power shafts 15. Power shafts 14 also have controllable couplings 10. A vertical aerodynamic rudder is mounted on the roof 4 in the rear of the casing 2 l 16 connected to the actuator 17.

Платформа 5 при помощи колесных пар 15 установлена на рельсах 18.The platform 5 using the wheelset 15 is mounted on the rails 18.

Газотурбинные двигатели 8 (фиг.3) содержат входное устройство 19 и два турбокомпрессора: первый - 20 и второй - 21, выполненные по биротативной схеме, т.е. без сопловых и направляющих аппаратов, с возможностью вращения в противоположные стороны. Турбокомпрессор 20 содержит компрессор низкого давления 22 и турбину низкого давления 23. Компрессор низкого давления 22 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 24. Турбина низкого давления 23 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 25. Рабочие колеса компрессора 24 и рабочее колесо (колеса) турбины 25 соединены внутренним валом 26 первого турбокомпрессора 20. Второй турбокомпрессор 21 содержит компрессор высокого давления 27 и турбину высокого давления 28. Компрессор высокого давления 27 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 24, а турбина высокого давления 27 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 25. Рабочее колесо (колеса) компрессора 24 компрессора высокого давления 27 и рабочее колесо (колеса) 25 турбины высокого давления 28 соединены внешним валом 29. Валы 26 и 29 установлены на подшипниках 39. Двигатель имеет внешний корпус 31, к которому крепится камера сгорания 32 с форсунками 33, к внешнему корпусу 31 также крепятся входное устройство 19 при помощи ребер 34 и реактивное сопло 35 при помощи ребер 36. Перед камерой сгорания 32 установлен спрямляющий направляющий аппарат 37, а за камерой сгорания 32 - сопловый аппарат 38.Gas turbine engines 8 (Fig. 3) contain an input device 19 and two turbocompressors: the first - 20 and the second - 21, made according to the birotative scheme, i.e. without nozzle and guide vanes, with the possibility of rotation in opposite directions. The turbocharger 20 comprises a low pressure compressor 22 and a low pressure turbine 23. The low pressure compressor 22 contains at least one impeller of the compressor 24. The low pressure turbine 23 contains at least one impeller of the turbine 25. The impellers of the compressor 24 and the impeller (wheels) of the turbine 25 is connected by an internal shaft 26 of the first turbocompressor 20. The second turbocompressor 21 comprises a high pressure compressor 27 and a high pressure turbine 28. The high pressure compressor 27 contains at least one the impeller of the compressor 24, and the high pressure turbine 27 contains at least one impeller of the turbine 25. The impeller (wheels) of the compressor 24 of the high pressure compressor 27 and the impeller (wheels) 25 of the high pressure turbine 28 are connected by an external shaft 29. Shafts 26 and 29 are mounted on bearings 39. The engine has an outer casing 31 to which a combustion chamber 32 with nozzles 33 is attached, an input device 19 with ribs 34 and a jet nozzle 35 with ribs 36 are also attached to the outer casing 31. In front of the combustion chamber 32 set A straightening guide apparatus 37 is provided, and behind the combustion chamber 32, a nozzle apparatus 38.

Топливная система газотурбинных двигателей 8 содержит топливопровод 39, в котором установлен топливный насос 40, соединенный с приводом 41. Основная силовая установка 6 установлена вертикально в центре корпуса 2 газотурбовоза (локомотива) 1 (фиг.1 и 2).The fuel system of gas turbine engines 8 includes a fuel line 39, in which a fuel pump 40 is connected, connected to the drive 41. The main power unit 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 9, потом основную силовую установку 8 при помощи вспомогательного дизеля 9, выполняющего функцию стартера, раскручивают один из турбокомпрессоров 20 или 21, запускают привод 41, который раскручивает топливный насос 40, топливо (сжиженный природный газ - СПГ) по топливопроводу 39 подается в форсунки 33 камеры сгорания 32, где воспламеняется при помощи пирозапальника или электрозапальника (не показан). Продукты сгорания проходят через турбину высокого давления 27 и турбину низкого давления 28. Мощность с турбин 27 и 28 передается на компрессоры 22 и 27, которые сжимают воздух, идущий в камеру сгорания 32. Значительная часть мощности (70…8 0%) подается на тяговый привод 13 и на колесные пары 15 и создают тягу газотурбовоза (локомотива) 1. Кроме того, две основные силовые установки 8 создают дополнительно реактивную тягу 20…30% от общего тягового усилия.During operation, the auxiliary diesel engine 9 is started first, then the main power unit 8 is launched using an auxiliary diesel engine 9, which acts as a starter, one of the turbochargers 20 or 21 is untwisted, the drive 41 is launched, which untwists the fuel pump 40, fuel (liquefied natural gas - LNG) the fuel line 39 is fed into the nozzles 33 of the combustion chamber 32, where it is ignited using a pyrozapalnik or an electric igniter (not shown). The combustion products pass through a high-pressure turbine 27 and a low-pressure turbine 28. The power from the turbines 27 and 28 is transmitted to the compressors 22 and 27, which compress the air going into the combustion chamber 32. A significant part of the power (70 ... 8 0%) is supplied to the traction the drive 13 and the wheelset 15 and create the thrust of a gas turbo locomotive (locomotive) 1. In addition, the two main power plants 8 create an additional reactive thrust of 20 ... 30% of the total tractive effort.

При отказе одной из силовых установок 8 она отключается при помощи управляемой муфты 10 и газотурбовоз 1 продолжает движение, не снижая скорости за счет форсирования второй силовой установки. Возникшее при этом боковое усилие компенсируется при помощи вертикального аэродинамического руля 16, которым управляет привод руля 17. Режим работы основных силовых установок 8 регулируется топливными насосами 40. Останов основных силовых установок осуществляется прекращением подачи топлива. Реверсирование осуществляется при помощи раздаточной коробки 12 (детально это устройство в материалах заявки не приведено). Аварийный останов осуществляется выключением основных силовых установок 8 и торможением, а маневрирование - использованием вспомогательного дизеля 9.In case of failure of one of the power plants 8, it is turned off by means of a controlled clutch 10 and the gas turbine locomotive 1 continues to move without reducing speed due to forcing the second power plant. The lateral force resulting from this is compensated by the vertical aerodynamic steering wheel 16, which is controlled by the steering wheel drive 17. The operation mode of the main power plants 8 is regulated by the fuel pumps 40. The main power plants are stopped by stopping the fuel supply. Reversal is carried out using the transfer case 12 (this device is not described in detail in the application materials). Emergency stop is carried out by turning off the main power plants 8 and braking, and maneuvering using an auxiliary diesel 9.

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 возможности продолжения полета при отказе одного из них.1. To increase the reliability of the locomotive through communication using the transmission of two propulsion systems: the main power and auxiliary diesel and the possibility of continuing the flight in case of failure of one of them.

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 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 за счет применения биротативной схемы.5. 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. Especially significantly improved traction and weight characteristics and reduced axial dimension of the main power plant of the locomotive due to the use of a biotic scheme.

6. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора основной силовой установки без раскручивания другого ротора.6. Facilitate starting by spinning up only one rotor of the main power plant without spinning another rotor.

7. Облегчить условия работы роторов основных силовых установок за счет возможности их взаимного проскальзывания одного из двух роторов и их работы на различающихся частотах вращения.7. To facilitate the working conditions of the rotors of the main power plants due to the possibility of their mutual sliding of one of the two rotors and their operation at different speeds.

8. Уменьшить вес и габариты основной силовой установки, особенно осевой габарит, что важно для газотурбовоза за счет применения биротативной схемы.8. To reduce the weight and dimensions of the main power plant, especially the axial dimension, which is important for a gas turbine due to the use of a birotative scheme.

9. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов основной силовой установки без применения редуктора.9. Ensure the opposite rotation of the stages of the rotors of the main power plant without the use of a gearbox.

Claims

A gas turbine locomotive comprising a body having a roof and side walls, a main power unit in the form of a gas turbine engine, and an auxiliary diesel engine connected kinematically, characterized in that two main power units are used installed in engine nacelles attached by aerodynamic wings to the side walls of the body gas turbine, and a vertical aerodynamic steering wheel is installed on the roof.