WO2013006083A1 - Газотурбинная установка для локомотива - Google Patents

Газотурбинная установка для локомотива Download PDF

Info

Publication number
WO2013006083A1
WO2013006083A1 PCT/RU2012/000050 RU2012000050W WO2013006083A1 WO 2013006083 A1 WO2013006083 A1 WO 2013006083A1 RU 2012000050 W RU2012000050 W RU 2012000050W WO 2013006083 A1 WO2013006083 A1 WO 2013006083A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure
shaft
turbine
low
channel
Prior art date
Application number
PCT/RU2012/000050
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Эдуард Иванович НЕСТЕРОВ
Валерий Семенович КОССОВ
Владимир Федорович РУДЕНКО
Игорь Валентинович САЗОНОВ
Original Assignee
Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" filed Critical Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги"
Priority to EP12807474.7A priority Critical patent/EP2730768B1/en
Priority to CA2834057A priority patent/CA2834057C/en
Priority to CN201280021943.1A priority patent/CN103608567B/zh
Publication of WO2013006083A1 publication Critical patent/WO2013006083A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/20—Adaptations of gas-turbine plants for driving vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/10—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/90—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by specific means not covered by groups B60L50/10 - B60L50/50, e.g. by direct conversion of thermal nuclear energy into electricity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/02—Adaptations for driving vehicles, e.g. locomotives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/107—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor with two or more rotors connected by power transmission
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles

Definitions

  • the invention relates to engines of railway vehicles, in particular to gas turbine engines of locomotives running on liquefied natural gas, gas turbine fuel and heavy grades of petroleum fuel, and relating to power transfer between different shafts of a gas turbine installation and between a gas turbine installation and asynchronous traction engines of a locomotive.
  • G1 and passenger GP1 consisting of a 12-stage axial compressor, 6 sectional combustion chambers, a 4-stage axial turbine connected via a gearbox to three traction DC generators.
  • the efficiency of the engine is 18.3% (Voronkov L.A., Zarhe SM. Et al. "Domestic Gas Turbine Trucks", published by Mechanical Engineering. Moscow. 1971, p. 45-52).
  • the idle fuel consumption is 0.35 of the fuel consumption at full power.
  • the idling rate is 0.45 - 0.52 hours of engine operation during operation, which leads to an increase in specific fuel consumption by the transportation work meter by 2.5 times compared to diesel locomotives.
  • an auxiliary diesel generator was installed on this gas turbine locomotive to start the gas turbine engine and conduct shunting operations.
  • Known gas turbine engine NK-361 gas turbine locomotive GT-1 made according to the two-shaft scheme with a free power turbine.
  • a disadvantage of the known engine is that the idle fuel consumption remained equal to 0.268 of the fuel consumption at full power, while the fuel consumption on modern diesel locomotives idling is 0.015 of the fuel consumption at full power.
  • an auxiliary diesel generator was installed on this gas turbine locomotive to start the gas turbine engine and conduct shunting operations.
  • a locomotive power plant where the gas turbine engine is made according to a two-shaft scheme with a free power turbine.
  • the essence of the invention is to improve the launch of the power plant and increase its efficiency (patent RU 2 308 383 C1, IPC BK 5/00, 2007).
  • the known scheme has the same drawback as the previous ones - increased fuel consumption at idle and the presence of an auxiliary diesel generator on a gas turbine.
  • Known gas turbine power plant for a locomotive adopted as a prototype, which is made according to the scheme with a free medium pressure turbine.
  • the circuit provides for cooling the air between the compressors and heating the compressed air in front of the combustion chamber with exhaust gases from the low-pressure turbine.
  • the power plant is made in the form of two low and high pressure engines and has intermediate cooling and air heating in regenerator.
  • the high pressure engine is located above the low pressure engine.
  • a second combustion chamber is also provided between the high pressure turbine and the medium pressure turbine.
  • a disadvantage of the known gas turbine installation is that the fuel consumption at idle remains still high, equal to 0.15 of the fuel consumption at full power, which is 100 times more than that of a diesel locomotive. Fuel consumption at low loads also remains high, and an auxiliary diesel generator is provided for moving a gas turbine without composition and power supply to auxiliary consumers, which requires space for its installation, the presence of a second type of fuel on a gas turbine and additional maintenance costs.
  • the technical result of the invention is a significant reduction in fuel consumption at idle and at low loads of a gas turbine installation, which significantly reduces the specific fuel consumption for a transportation meter and brings it closer to diesel indicators, the exception on the locomotive of an auxiliary diesel generator or a battery with a larger capacity due to the use the proposed gas turbine installation, which will reduce the size, weight of the locomotive, its axle load and operating costs of the locomotive tive.
  • the technical result is achieved in that in a gas turbine installation for a locomotive containing three pressure shafts, of which a high pressure shaft is located above two low and medium pressure shafts, while a low pressure compressor with an inlet pipe connected to the low turbine shaft is installed on the low pressure shaft pressure and gas communication through a channel with a medium-pressure turbine, a medium-pressure turbine is installed on the medium-pressure shaft, connected by a shaft to the first synchronous traction generator and a channel with an intermediate combustion chamber, a high-pressure compressor is installed on the high-pressure shaft, connected by a shaft to the high-pressure turbine and a channel with the main combustion chamber, between the low and high pressure compressor an intermediate refrigerator is installed, connected by channels with these compressors, between the compressor
  • a high pressure turbine and a high-pressure turbine have a regenerative heat exchanger on which an exhaust pipe is installed and which is connected by channels to a low-pressure turbine and a high-pressure compressor, and in which a fuel heating heat exchanger is installed, the low-pressure compressor is equipped with a
  • FIG. 1 shows a diagram of the proposed gas turbine installation for a locomotive
  • FIG. 2, 3 separate connection diagrams of synchronous traction generators with asynchronous traction motors mounted on carts are presented.
  • FIG. 4 shows the change in the efficiency of a gas turbine installation depending on the relative removable power.
  • a gas turbine installation for a locomotive (Fig. 1) consists of three pressure shafts, one of which is located above the other two. Below is a low-pressure shaft 1 and an intermediate-pressure shaft 2 aligned with it. A high-pressure shaft 3 is located above the low-pressure and low-pressure shafts 2.
  • the medium-pressure shaft 2 consists of a medium-pressure turbine 11 connected by a shaft 12 to the first m synchronous traction generator 13 and a channel 14 with an intermediate combustion chamber 15.
  • the high pressure shaft 3 consists of a high pressure compressor 16 connected by a shaft 17 to a high pressure turbine 18, a shaft 19 with a second synchronous traction generator 20, a shaft 21 and a gearbox (in the drawing not shown) with a starter 22.
  • the high-pressure turbine 18 is connected by a channel 23 to an intermediate combustion chamber 15, which is connected through a channel 14 to a medium-pressure turbine 11.
  • a low-pressure compressor 4 is connected through a channel 26 to an intermediate cooler 24, which is connected by a channel 27 to a high-pressure compressor 16.
  • a regenerative heat exchanger 28 is located between the high-pressure compressor 16 and the high-pressure turbine 18 with combustion chambers 29 and a fuel heat exchanger 30.
  • the combustion chamber 29 is connected to the high-pressure turbine 18 by a channel 31.
  • the high-pressure compressor 16 is connected to a regenerative heat exchanger 28 of the channel om 32.
  • the gas turbine plant provided a microprocessor unit (not shown in the drawing), which controls the start of a gas turbine installation, loading of synchronous traction generators 13 and 20, fuel supply to the combustion chambers 15 and 29, acting on the fuel metering devices 33 and 34, disconnects, if necessary, the low pressure shaft 1, closing the input a guiding apparatus 6 through block 7 and opening the air intake to the high-pressure compressor 16 from the common air intake chamber (not shown in the drawing), opening the bypass valve 25 to the intermediate cooler 24.
  • the low-pressure turbine 9 the cut channel 35 is connected to a regenerative heat exchanger 28, on which an exhaust pipe 36 is mounted.
  • Synchronous traction generators 13 and 20 can be connected differently to asynchronous traction motors of the locomotive:
  • the second synchronous traction generator 20 is connected to one bogie 37 with a group of asynchronous traction motors through a controlled rectifier 38 and the first synchronous traction generator 13 is connected to bogies 39, 40, 41 with a second group of asynchronous traction motors through a controlled rectifier 42 (Fig. 2), or synchronous traction generators 20 and 13 are connected to the carts 37, 39, 40, 41 with all asynchronous traction motors through a common controlled rectifier 43 (Fig. 3).
  • the second synchronous traction generator 20 is connected to one trolley 37 with a group of asynchronous traction motors through its controlled rectifier 38, or the second synchronous traction generator 20 is connected to the bogies 37, 39, 40 through a common controlled rectifier 43 , 41 with all asynchronous traction motors (not shown in the drawing).
  • the heated air enters the combustion chambers 29, fuel is supplied to the nozzles through the fuel metering device 34 and, burning, forms a gas-air mixture with a given temperature, which through the channel 31 enters the high pressure turbine 18.
  • the received power of the high pressure turbine is used to drive the high pressure compressor 16 and to generate energy in the second synchronous traction generator 20.
  • the gas-air mixture through the channel 23 enters the intermediate combustion chamber 15, where fuel is supplied to the nozzles through the fuel metering unit 33 and, burning, forms azo-air mixture with a given temperature, which through channel 14 enters the medium-pressure turbine (power turbine) 1 1. the received power of which is used to drive the first synchronous traction generator 13.
  • the first 13 and second 20 synchronous generators are controlled rectifiers 42 or 43 drive the asynchronous traction motors of the bogies 37, 39, 40 and 41.
  • the gas-air mixture having worked in a medium-pressure turbine, enters a low-pressure turbine 9 through channel 10, which leads Low pressure springs 4.
  • the gas-air mixture, having worked in the low pressure turbine 9 through the duct 35 enters the regenerative heat exchanger 28, passing through which is discharged into the external environment through exhaust tube 36.
  • the microprocessor control unit of the gas turbine installation closes the inlet guide apparatus 6 with block 7 and opens the bypass valve 25, connecting the channel 27 of the high-pressure compressor 16 with the intake air chamber from the external environment.
  • the “start” signal is sent to the starter 22 and it starts to spin the high pressure shaft 3 to the fuel supply speed to the combustion chamber 29.
  • the fuel dispenser 34 supplies fuel to the combustion chamber 29 and the high pressure shaft 3 is untwisted to idle speed.
  • the gas-air mixture, having worked in the high-pressure turbine 18, enters the intermediate combustion chamber 15 through the channel 23, into which fuel is not supplied.
  • the gas-air mixture enters the medium-pressure turbine 1 1, passing through which, through the channel 10 enters the low-pressure turbine 9, and then through the channel 35 to the regenerative heat exchanger 28, passing through which, through the exhaust pipe 36 is discharged into the external environment. Due to the fact that the inlet guide apparatus 6 is closed and the bypass valve 25 is open, air compression in the low pressure compressor 4 does not occur, and the low and medium pressure shafts 1 and 2 rotate without performing work, but are always ready to accept load. Moreover, the power from the first synchronous traction generator 13 is not removed.
  • FIG. 4 shows the change in efficiency of a gas turbine installation depending on the relative removable power.
  • curve 44 the change in the efficiency of the gas turbine installation
  • curve 45 the change in the efficiency of the gas turbine installation
  • the fuel idle when only the high pressure shaft 3 is operating is 0.005 - 0.06 of fuel consumption at full power of the entire power plant.
  • Efficiency of the engine when only high-pressure shaft 3 is operated at partial loads is 2 to 2.5 times greater than when the gas turbine plant is operated as a whole, which significantly improves the technical and economic performance of the locomotive.
  • the alleged invention is planned to be applied to promising gas turbine locomotives and transport vehicles that use liquefied natural gas.
  • the use of a gas turbine installation will significantly reduce fuel consumption at idle and at low loads, eliminating the auxiliary diesel generator or a larger battery on the locomotive, which will reduce the size of the locomotive, its mass, axle load and operating costs.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Изобретение относится к газотурбинным двигателям локомотива, работающих на сжиженном природном газе. Газотурбинная установка содержит три вала давления. Вал высокого давления расположен над двумя валами низкого и среднего давления. На валу низкого давления установлен компрессор низкого давления с входным патрубком, соединенный валом с турбиной низкого давления и газовой связью через канал с турбиной среднего давления, на валу среднего давления установлена турбина среднего давления, соединенная валом с первым синхронным тяговым генератором и каналом с промежуточной камерой сгорания, на валу высокого давления установлен компрессор высокого давления, соединенный валом с турбиной высокого давления и каналом с основной камерой сгорания. Компрессор низкого давления снабжен поворотным входным направляющим аппаратом, приводимым от блока, на промежуточном холодильнике установлен перепускной клапан, в регенеративном теплообменнике размещены основные камеры сгорания, соединённые каналом с турбиной высокого давления, компрессор высокого давления соединён через вал и редуктор со стартёром, турбина высокого давления соединена валом со вторым синхронным тяговым генератором для возможности работы газотурбинной установки на холостом ходу и малых нагрузках только от вала высокого давления. Техническим результатом изобретения является значительное снижение расхода топлива на холостом ходу и на малых нагрузках газотурбинной установки, исключение на локомотиве вспомогательного дизель-генератора.

Description

Газотурбинная установка для локомотива
Область техники
Изобретение относится к двигателям железнодорожного транспорта, в частности, к газотурбинным двигателям локомотивов, работающих на сжиженном природном газе, газотурбинном топливе и тяжелых сортах нефтяного топлива, и касающихся передачи мощности между различными валами газотурбинной установки и между газотурбинной установкой и асинхронными тяговыми двигателями локомотива.
Предшествующий уровень техники
Известен газотурбинный двигатель ГТ 3,5 газотурбовозов: грузового
Г1 и пассажирских ГП1, состоящий из 12-ти ступенчатого осевого компрессора, 6-ти секционных камер сгорания, 4-ех ступенчатой осевой турбины, соединенный через редуктор с тремя тяговыми генераторами постоянного тока. В виду невысоких газодинамических параметров цикла кпд двигателя составляет 18,3 % (Воронков Л.А., Зархе СМ. и др. «Отечественные газотурбовозы», изд. Машиностроение. Москва. 1971 г. С.45-52).
В связи с применением простой одновальной схемы, что является недостатком такого двигателя, расход топлива на холостом ходу составляет 0,35 от расхода топлива на полной мощности. Доля холостого хода составляет 0,45 - 0,52 времени работы двигателя при эксплуатации, что приводит к увеличению удельного расхода топлива на измеритель перевозочной работы в 2,5 раза по сравнению с тепловозами. Кроме того, на данном газотурбовозе был установлен вспомогательный дизель-генератор для запуска газотурбинного двигателя и проведения маневровой работы. Известен газотурбинный двигатель НК-361 газотурбовоза ГТ-1, выполненный по двухвальной схеме со свободной силовой турбиной. Применение такой схемы позволило повысить газодинамические параметры цикла и получить кпд двигателя на уровне 25,3% (Статья «Первый в мире газотурбовоз, работающий на сжиженном природном газе» в журнале АвтоГазКомплекс (45) 2009г.).
Недостатком известного двигателя является то, что расход топлива на холостом ходу остался равным 0,268 от расхода топлива на полной мощности, при расходе топлива на современных тепловозах на холостом ходу, равном 0,015 от расхода топлива на полной мощности. Кроме того, на данном газотурбовозе был установлен вспомогательный дизель-генератор для запуска газотурбинного двигателя и проведения маневровой работы.
Известна силовая установка локомотива, где газотурбинный двигатель выполнен по двухвальной схеме со свободной силовой турбиной. Газотурбинный двигатель с компрессорами низкого и высокого давления, приводимые турбинами среднего и высокого давления, соединенные газовым трактом со свободной силовой турбиной низкого давления. Суть изобретения состоит в улучшении запуска силовой установки и повышении её экономичности (патент RU 2 308 383 С1, МПК В60К 5/00, 2007г.).
Известная схема имеет тот же недостаток, что и предыдущие - повышенный расход топлива на холостом ходу и наличие на газотурбовозе вспомогательного дизель-генератора.
Известна газотурбинная силовая установка для локомотива, принятая за прототип, которая выполнена по схеме со свободной турбиной среднего давления. Для повышения кпд силовой установки в схеме предусмотрено охлаждение воздуха между компрессорами и подогрев сжатого воздуха перед камерой сгорания выхлопными газами из турбины низкого давления. Силовая установка выполнена в виде двух двигателей низкого и высокого давления и имеет промежуточное охлаждение и нагрев воздуха в регенераторе. Двигатель высокого давления расположен над двигателем низкого давления. Предусмотрена также вторая камера сгорания между турбиной высокого давления и турбиной среднего давления. Такая схема силовой установки позволяет получить кпд на уровне 42 - 45% (патент US 3457877(A), МПК В61С 5/00, 1969г.).
Недостатком известной газотурбинной установки является то, что расход топлива на холостом ходу остаётся всё равно высоким, равным 0,15 от расхода топлива на полной мощности, что в 100 раз больше, чем у дизельного локомотива. Также высоким остаётся расход топлива на малых нагрузках, а для перемещения газотурбовоза без состава и питания электроэнергией вспомогательных потребителей предусмотрен вспомогательный дизель-генератор, что требует места для его установки, наличие второго вида топлива на газотурбовозе и дополнительных затрат на обслуживание.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом изобретения является значительное снижение расхода топлива на холостом ходу и на малых нагрузках газотурбинной установки, что значительно снижает удельный расход топлива на измеритель перевозочной работы и приближает его к тепловозным показателям, исключение на локомотиве вспомогательного дизель-генератора или аккумуляторной батареи большей емкости за счёт использования предложенной газотурбинной установки, что позволит снизить размеры, массу локомотива, его нагрузку на ось и расходы на эксплуатацию локомотива.
Технический результат достигается тем, что в газотурбинной установке для локомотива, содержащей три вала давления, из которых вал высокого давления расположен над двумя валами низкого и среднего давления, при этом на валу низкого давления установлен компрессор низкого давления с входным патрубком, соединенный валом с турбиной низкого давления и газовой связью через канал с турбиной среднего давления, на валу среднего давления установлена турбина среднего давления, соединенная валом с первым синхронным тяговым генератором и каналом с промежуточной камерой сгорания, на валу высокого давления установлен компрессор высокого давления, соединенный валом с турбиной высокого давления и каналом с основной камерой сгорания, между компрессором низкого и высокого давления установлен промежуточный холодильник, связанный каналами с этими компрессорами, между компрессором высокого давления и турбиной высокого давления расположен регенеративный теплообменник, на котором установлен выхлопной патрубок и который соединён каналами с турбиной низкого давления и компрессором высокого давления, и в котором установлен теплообменник нагрева топлива, компрессор низкого давления снабжен поворотным входным направляющим аппаратом, приводимым от блока, на промежуточном холодильнике установлен перепускной клапан, в регенеративном теплообменнике размещены основные камеры сгорания, соединённые каналом с турбиной высокого давления, компрессор высокого давления соединён через вал и редуктор со стартёром, и турбина высокого давления соединена валом со вторым синхронным тяговым генератором для возможности работы газотурбинной установки на холостом ходу и малых нагрузках только от вала высокого давления.
Краткое описание фигур чертежей
На фиг. 1 представлена схема предлагаемой газотурбинной установки для локомотива, на фиг. 2, 3, представлены отдельные схемы соединений синхронных тяговых генераторов с асинхронными тяговыми двигателями, установленными на тележках. На фиг. 4 показано изменение кпд газотурбинной установки в зависимости от относительной снимаемой мощности. Лучший вариант осуществления изобретения
Газотурбинная установка для локомотива (фиг. 1) состоит из трёх валов давления, один из которых расположен над двумя другими. Внизу располагается вал низкого давления 1 и соосно с ним вал среднего давления 2. Вал высокого давления 3 расположен над валами низкого 1 и среднего давления 2. Вал низкого давления 1, состоящий из компрессора низкого давления 4 с входным патрубком 5 и с поворотным входным направляющим аппаратом 6, приводимым от блока 7. Компрессор низкого давления 4 соединен валом 8 с турбиной низкого давления 9 и газовой связью через канал 10 с турбиной среднего давления 1 1. Вал среднего давления 2 состоит из турбины среднего давления 11, соединенной валом 12 с первым синхронным тяговым генератором 13 и каналом 14 с промежуточной камерой сгорания 15. Вал высокого давления 3 состоит из компрессора высокого давления 16, соединенного валом 17 с турбиной высокого давления 18, валом 19 со вторым синхронным тяговым генератором 20, валом 21 и редуктором (на чертеже не показан) со стартёром 22. Турбина высокого давления 18 каналом 23 соединена с промежуточной камерой сгорания 15, которая через канал 14 соединена с турбиной среднего давления 11. Между компрессором низкого давления 4 и компрессором высокого давления 16 находится промежуточный холодильник 24 с перепускным клапаном 25. Компрессор низкого давления 4 через канал 26 связан с промежуточным холодильником 24, который каналом 27 связан с компрессором высокого давления , 16. Между компрессором высокого давления 16 и турбиной высокого давления 18 находится регенеративный теплообменник 28 с размещенными в нём камерами сгорания 29 и теплообменником нагрева топлива 30. Камера сгорания 29 соединена с турбиной высокого давления 18 каналом 31. Компрессор высокого давления 16 соединен с регенеративным теплообменником 28 каналом 32. В газотурбинной установке предусмотрен микропроцессорный блок (на чертеже не показан), который управляет запуском газотурбинной установки, нагружением синхронных тяговых генераторов 13 и 20, подачей топлива в камеры сгорания 15 и 29, воздействуя на дозаторы топлива 33 и 34, отключает при необходимости вал низкого давления 1, закрывая входной направляющий аппарат 6 через блок 7 и открывая всасывание воздуха в компрессор высокого давления 16 из общей заборной камеры воздуха (на чертеже не показана), открывая перепускной клапан 25 в промежуточный холодильник 24. Турбина низкого давления 9 через канал 35 соединена с регенеративным теплообменником 28, на который установлен выхлопной патрубок 36. Синхронные тяговые генераторы 13 и 20 могут различно подключаться к асинхронным тяговым двигателям локомотива:
Второй синхронный тяговый генератор 20 подключен к одной тележке 37 с группой асинхронных тяговых двигателей через управляемый выпрямитель 38 и первый синхронный тяговый генератор 13 подключен к тележкам 39, 40, 41 со второй группой асинхронных тяговых двигателей через управляемый выпрямитель 42 (фиг. 2), либо синхронные тяговые генераторы 20 и 13 подключены к тележкам 37, 39, 40, 41 со всеми асинхронными тяговыми двигателями через общий управляемый выпрямитель 43 (фиг. 3). В режиме, когда работает только вал высокого давления, второй синхронный тяговый генератор 20 через свой управляемый выпрямитель 38 подключен к одной тележке 37 с группой асинхронных тяговых двигателей, либо второй синхронный тяговый генератор 20 через общий управляемый выпрямитель 43 подключён к тележкам 37, 39, 40, 41 со всеми асинхронными тяговыми двигателями (на чертеже не показано).
Газотурбинная установка работает следующим образом.
Наружный воздух из камеры забора воздуха с пылевыми фильтрами через канал 5, пройдя входной поворотный направляющий аппарат 6, поступает в компрессор низкого давления 4, где сжимается и через канал 26 попадает в промежуточный холодильник 24, в котором он охлаждается наружным воздухом, поступающим от вентилятора (на чертеже не показан), приводимого от вала компрессора низкого давления 4. Сжатый и охлажденный воздух через канал 27 поступает в компрессор высокого давления 16, где дополнительно сжимается и по каналу 32 попадает в регенеративный теплообменник 28, где он нагревается теплом выхлопных газов турбины низкого давления 9, поступающими в регенеративный теплообменник 28 по каналу 35. Далее нагретый воздух поступает в камеры сгорания 29, куда подается топливо к форсункам через дозатор топлива 34 и, сгорая, образует газо-воздушную смесь с заданной температурой, которая через канал 31 поступает в турбину высокого давления 18. Полученная мощность турбины высокого давления используется на привод компрессора высокого давления 16 и на выработку энергии во втором синхронном тяговом генераторе 20. После турбины высокого давления 18 газо-воздушная смесь через канал 23 поступает в промежуточную камеру сгорания 15, куда подаётся топливо к форсункам через дозатор топлива 33 и, сгорая, образует газо-воздушную смесь с заданной температурой, которая через канал 14 поступает в турбину среднего давления (силовую турбину) 1 1. полученная мощность которой используется на привод первого синхронного тягового генератора 13. В зависимости от приложенной нагрузки первый 13 и второй 20 синхронные генераторы через управляемые выпрямители 42 или 43 приводят в движение асинхронные тяговые двигатели тележек 37, 39, 40 и 41. Газо-воздушная смесь, отработав в турбине среднего давления, через канал 10 поступает в турбину низкого давления 9, которая приводит компрессор низкого давления 4. Газо-воздушная смесь, отработав в турбине низкого давления 9, через канал 35 поступает в регенеративный теплообменник 28, пройдя который, выбрасывается во внешнюю среду через выхлопной патрубок 36. Мощность, полученная от тяговых генераторов 13 и 20, через управляемые выпрямители поступает к асинхронным тяговым двигателям по одной из двух схем, изображенных на фиг. 2 и 3.
Рассмотрим запуск предлагаемой газотурбинной установки и её работу на холостом ходу и на малой нагрузке.
Перед запуском микропроцессорный блок управления газотурбинной установкой закрывает входной направляющий аппарат 6 блоком 7 и открывает перепускной клапан 25, соединяя канал 27 компрессора высокого давления 16 с заборной камерой воздуха из внешней среды. На стартёр 22 подаётся сигнал «запуск» и он начинает раскручивать вал высокого давления 3 до оборотов подачи топлива в камеру сгорания 29. Дозатор топлива 34 подаёт топливо в камеру сгорания 29 и вал высокого давления 3 раскручивается до оборотов холостого хода. Газо-воздушная смесь, отработав в турбине высокого давления 18, через канал 23 поступает в промежуточную камеру сгорания 15, в которую топливо не подаётся. Далее через канал 14 газо-воздушная смесь поступает в турбину среднего давления 1 1, пройдя которую, через канал 10 поступает в турбину низкого давления 9 и далее через канал 35 в регенеративный теплообменник 28, пройдя который, через выхлопной патрубок 36 выбрасывается во внешнюю среду. В виду того, что входной направляющий аппарат 6 закрыт, а перепускной клапан 25 открыт, сжатие воздуха в компрессоре низкого давления 4 не происходит, а валы низкого и среднего давления 1 и 2 вращаются, не производя работы, но всё время находятся в состоянии готовности принять нагрузку. При этом мощность с первого синхронного тягового генератора 13 не снимается. Когда при работе локомотива не требуется полная мощность - это режим холостого хода, трогание с места, маневровая работа, движение одиночного локомотива, движение на спусках и с составами малого веса, работает только вал высокого давления 3. При этом мощность, полученная от второго синхронного тягового генератора 20, через управляемый выпрямитель 38 поступает к одной тележке 37 с группой асинхронных тяговых двигателей, либо мощность, полученная от второго синхронного тягового генератора 20, через общий управляемый выпрямитель 43 поступает к тележкам 37, 39, 40, 41 с группой всех асинхронных тяговых двигателей.
Особенность работы предлагаемой газотурбинной установки отражена на фиг. 4, где показано изменение кпд газотурбинной установки в зависимости от относительной снимаемой мощности. Когда работают все три вала давления 1, 2 и 3, то изменение кпд газотурбинной установки показано кривой 44, а при работе только вала высокого давления 3 изменение кпд газотурбинной установки показано кривой 45. Расход топлива на холостом ходу, когда работает только вал высокого давления 3, составляет 0,005 - 0,06 от расхода топлива на полной мощности всей силовой установки. КПД двигателя при работе только вала высокого давления 3 на частичных нагрузках в 2 - 2,5 раза больше, чем при работе газотурбинной установки в целом, что существенно улучшает технико-экономические показатели локомотива.
Промышленная применимость
Предполагаемое изобретение планируется применять для перспективных газотурбовозов и на транспортных машинах, где используется сжиженный природный газ. Применение газотурбинной установки позволит значительно снизить расход топлива на холостом ходу и при малых нагрузках, исключить на локомотиве вспомогательный дизель- генератор или аккумуляторную батарею большей емкости, что уменьшит размеры локомотива, его массу, нагрузку на ось и расходы на эксплуатацию.

Claims

Формула изобретения
1. Газотурбинная установка для локомотива, содержащая три вала 5 давления, из которых вал высокого давления расположен над двумя валами низкого и среднего давления, при этом на валу низкого давления установлен компрессор низкого давления с входным патрубком, соединенный валом с турбиной низкого давления и газовой связью через канал с турбиной среднего давления, на валу среднего давления установлена турбина среднего ю давления, соединенная валом с первым синхронным тяговым генератором и каналом с промежуточной камерой сгорания, на валу высокого давления установлен компрессор высокого давления, соединенный валом с турбиной высокого давления и каналом с основной камерой сгорания, между компрессором низкого и высокого давления установлен промежуточный
15 холодильник, связанный каналами с этими компрессорами, между компрессором высокого давления и турбиной высокого давления расположен регенеративный теплообменник, на котором установлен выхлопной патрубок и который соединён каналами с турбиной низкого давления и компрессором высокого давления и в котором установлен теплообменник нагрева топлива, 0 отличающаяся тем, что компрессор низкого давления снабжен поворотным входным направляющим аппаратом, приводимого блоком, на промежуточном холодильнике установлен перепускной клапан, в регенеративном теплообменнике размещены основные камеры сгорания, соединенные каналом с турбиной высокого давления, компрессор высокого 5 давления соединён через вал и редуктор со стартёром, турбина высокого давления соединена валом со вторым синхронным генератором для возможности работы газотурбинной установки на холостом ходу и малых нагрузках только от вала высокого давления.
2. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что второй синхронный тяговый генератор подключен к одной тележке с группой асинхронных тяговых двигателей через управляемый выпрямитель и первый синхронный тяговый генератор подключен к тележкам со второй группой асинхронных тяговых двигателей через управляемый выпрямитель, либо синхронные тяговые генераторы подключены к тележкам со всеми асинхронными тяговыми двигателями через общий управляемый выпрямитель, либо в режиме, когда работает только вал высокого давления, второй синхронный тяговый генератор через свой управляемый выпрямитель подключен к одной тележке с группой асинхронных тяговых двигателей, либо второй синхронный тяговый генератор через общий управляемый выпрямитель подключён к тележкам со всеми асинхронными тяговыми двигателями
PCT/RU2012/000050 2011-07-07 2012-02-01 Газотурбинная установка для локомотива WO2013006083A1 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12807474.7A EP2730768B1 (en) 2011-07-07 2012-02-01 Gas turbine arrangement for a locomotive
CA2834057A CA2834057C (en) 2011-07-07 2012-02-01 Gas turbine arrangement for a locomotive
CN201280021943.1A CN103608567B (zh) 2011-07-07 2012-02-01 用于机车的涡轮机装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011127665/11A RU2468935C1 (ru) 2011-07-07 2011-07-07 Газотурбинная установка для локомотива
RU2011127665 2011-07-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013006083A1 true WO2013006083A1 (ru) 2013-01-10

Family

ID=47437268

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2012/000050 WO2013006083A1 (ru) 2011-07-07 2012-02-01 Газотурбинная установка для локомотива

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP2730768B1 (ru)
CN (1) CN103608567B (ru)
CA (1) CA2834057C (ru)
RU (1) RU2468935C1 (ru)
WO (1) WO2013006083A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017165994A1 (zh) * 2016-03-30 2017-10-05 陈小辉 涡轮增压天然气发动机

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014130148A1 (en) * 2013-02-24 2014-08-28 Rolls-Royce Corporation Combined cycle power plant
FR3024755B1 (fr) * 2014-08-08 2019-06-21 Safran Aircraft Engines Hybridation des compresseurs d'un turboreacteur
US9505298B2 (en) * 2015-03-12 2016-11-29 Borgwarner Inc. High speed traction motor for a vehicle also having an auxiliary open Brayton cycle power assist and range extender
CN104786858B (zh) 2015-03-24 2017-03-29 至玥腾风科技投资集团有限公司 一种增程式电动汽车
GB2541436A (en) 2015-08-20 2017-02-22 Aurelia Turbines Oy System, method and computer program for operating a land- or marine-based multi-spool gas turbine
CN105221263A (zh) * 2015-09-18 2016-01-06 中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所 一种间冷燃气轮机联合循环系统
CN105240128A (zh) * 2015-09-18 2016-01-13 中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所 一种间冷循环燃气轮机系统
CN105298645A (zh) * 2015-09-18 2016-02-03 中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所 一种外涵回热燃气轮机循环系统
CN105927370B (zh) * 2016-05-06 2018-12-18 吉林大学 电辅助涡轮增压系统及其控制方法
FR3107558A1 (fr) * 2020-02-26 2021-08-27 Psa Automobiles Sa Systeme thermodynamique comportant deux turbomachines presentant chacune un arbre de transmission et une machine electrique

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3457877A (en) 1965-06-22 1969-07-29 Rheinstahl Henschel Ag Gas turbine powerplant for a locomotive
SU686918A1 (ru) * 1977-06-03 1979-09-25 Предприятие П/Я А-7376 Газотурбовоз с передачей переменнопеременного тока
SU1013315A1 (ru) * 1978-10-30 1983-04-23 Предприятие П/Я А-7376 Силова установка газотурбовоза
RU2053896C1 (ru) * 1990-04-20 1996-02-10 Суровин Александр Вячеславович Силовая установка газотурбовоза
RU2308383C1 (ru) 2006-02-13 2007-10-20 Николай Борисович Болотин Силовая установка локомотива на базе двухвального газотурбинного двигателя
RU2312239C1 (ru) * 2006-02-20 2007-12-10 Николай Борисович Болотин Силовая установка газотурбовоза

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2683964A (en) * 1950-07-03 1954-07-20 Anxionnaz Gas turbine power plant of widely variable output
RU2126906C1 (ru) * 1997-05-27 1999-02-27 Весенгириев Михаил Иванович Транспортные газотурбинные двухвальный и трехвальный двигатели (варианты)
SE525323C2 (sv) * 2003-06-05 2005-02-01 Volvo Aero Corp Gasturbin och förfarande för styrning av en gasturbin
RU2007124852A (ru) * 2007-07-02 2009-01-10 Владимир Андреевич Куделькин (RU) Интеллектуальная интегрированная система безопасности энергетической газотурбинной силовой установки

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3457877A (en) 1965-06-22 1969-07-29 Rheinstahl Henschel Ag Gas turbine powerplant for a locomotive
SU686918A1 (ru) * 1977-06-03 1979-09-25 Предприятие П/Я А-7376 Газотурбовоз с передачей переменнопеременного тока
SU1013315A1 (ru) * 1978-10-30 1983-04-23 Предприятие П/Я А-7376 Силова установка газотурбовоза
RU2053896C1 (ru) * 1990-04-20 1996-02-10 Суровин Александр Вячеславович Силовая установка газотурбовоза
RU2308383C1 (ru) 2006-02-13 2007-10-20 Николай Борисович Болотин Силовая установка локомотива на базе двухвального газотурбинного двигателя
RU2312239C1 (ru) * 2006-02-20 2007-12-10 Николай Борисович Болотин Силовая установка газотурбовоза

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"The first gas-turbine engine locomotive in the world that runs on liquefied natural gas'' (in Russian", AUTOGAZCOMPLEX MAGAZINE, 2009
See also references of EP2730768A4 *
VORONKOV L.A.; ZARHE S.M. ET AL.: "Domestic Gas- Turbine Engine Locomotives", 1971, MACHINOSTROYENIE PUBLISHING HOUSE, pages: 45 - 52

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017165994A1 (zh) * 2016-03-30 2017-10-05 陈小辉 涡轮增压天然气发动机
US10247094B2 (en) 2016-03-30 2019-04-02 Xiaohui Chen Turbocharged natural-gas engine

Also Published As

Publication number Publication date
CA2834057A1 (en) 2013-01-10
CA2834057C (en) 2015-11-03
EP2730768B1 (en) 2016-04-20
RU2468935C1 (ru) 2012-12-10
CN103608567B (zh) 2015-10-07
EP2730768A4 (en) 2015-03-11
EP2730768A1 (en) 2014-05-14
CN103608567A (zh) 2014-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2468935C1 (ru) Газотурбинная установка для локомотива
JP5841294B2 (ja) 内燃エンジンの廃熱を用いてｃｏ２捕捉システムのｃｏ２圧縮機を駆動する方法
CN103328802B (zh) 具有专用egr涡轮发生器的流体处理系统
US8141360B1 (en) Hybrid gas turbine and internal combustion engine
US8627662B2 (en) Exhaust gas recirculation heat recovery system and method
CN103452671B (zh) 燃气涡轮压缩机入口加压和流控制系统
US8662030B2 (en) Split cycle reciprocating piston engine
US20170122254A1 (en) An internal combustion engine heat energy recovery system
AU2014365015B2 (en) Compressed-air-energy-storage (CAES) system and method
EP3572329A1 (en) Aircraft environmental control system
US20130174555A1 (en) Electric power station
US11542869B2 (en) Dual cycle intercooled hydrogen engine architecture
CN109154230A (zh) 增压系统及内燃机
CN104769250A (zh) 用于驱动传动轴的热力发动机
JP2017507268A (ja) 内燃機関システム
KR20130106495A (ko) 개선된 구조의 터보 컴파운드 시스템
CN102900528A (zh) 双工质联合循环透平机降低自耗功方法
CN202811077U (zh) 带入口冷却和间冷的燃气轮机系统
RU2463462C1 (ru) Комбинированная газотурбодетандерная установка для работы на природном газе
GB2518015A (en) Exhaust turbine throttled normally aspirated and turbocharger throttled turbocharger eco-boost type engines
RU2374105C1 (ru) Газотурбовоз
CN202811081U (zh) 回热式电驱动多压气机母管燃气轮机
US20240141831A1 (en) Hydrogen steam injected turbine engine with cooled cooling air
EP4321744A2 (en) Inter-cooled preheat of steam injected turbine engine
RU2363604C1 (ru) Газотурбовоз и силовая установка газотурбовоза

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12807474

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2834057

Country of ref document: CA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012807474

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE