РЕАКТИВНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ЛОКОМОТИВ Российский патент 2005 года по МПК B61C11/06 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано в пассажирских и грузовых поездах.

Известно устройство газотурбинного локомотива, в котором тяговая система включает газотурбинный двигатель, снабженный входным и выходным устройствами, системами запуска и автоматического регулирования, соединенный через редуктор с тяговыми генераторами, а крутящий момент для создания силы тяги при взаимодействии колес с рельсами передается на ведущие оси тележек от тяговых электродвигателей. Тормозная система колодочного типа подключена к воздушному компрессору как источнику сжатого воздуха, причем привод этого компрессора от электродвигателя. Тормозная сила создается взаимодействием тормозных колодок с поверхностью катания колес [1].

К недостаткам известного устройства относятся сложность конструкции и недостаточная надежность тяговой системы, сложность конструкции тормозной системы колодочного типа и низкая надежность тормозной системы.

Известно устройство газотурбинного локомотива, в котором тяговая система включает газотурбинный двигатель с механической или электрической передачей мощности на оси ведущих колес для создания силы тяги путем взаимодействия колес и рельсов. Тормозная система локомотива колодочного типа создает тормозную силу взаимодействием тормозных колодок и колес по поверхности катания [2].

К недостаткам известного устройства относятся сложность конструкции и недостаточная надежность тяговой системы и тормозной системы вследствие необходимости взаимодействия колес и рельсов, тормозных колодок и колес для создания силы тяги и тормозной силы.

Известно устройство реактивного газотурбинного локомотива, в котором тяговая система включает два газотурбинных турбореактивных двигателя, установленных на крыше кузова для создания силы тяги. Кузов установлен на тележки, оснащенные элементами тормозной системы колодочного типа [3].

К недостаткам известного устройства относится большой шум вследствие большой скорости истечения реактивной струи из реактивного сопла, сложность конструкции и недостаточная надежность тормозной системы колодочного типа. Данное техническое решение выбрано автором в качестве прототипа.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и одновременно повышение надежности тяговой и тормозной систем благодаря исключению контактного силового взаимодействия колес с рельсами, тормозных колодок с колесами, исключению рычагов и агрегатов тормозного оборудования, снижению шума благодаря уменьшению скорости истечения реактивной струи и применению элементов шумоглушения.

Технический результат достигается тем, что установленный на локомотиве газотурбинный двигатель выполнен двухконтурным турбореактивным с высоким значением степени двухконтурности (отношение расхода воздуха через наружный контур к расходу воздуха через внутренний контур двигателя) в диапазоне 5... 10. Это позволяет при работе на керосине или дизельном топливе уменьшить удельный расход топлива

вместо

у турбореактивных двигателей. При силе тяги R, необходимой для движения, уменьшается часовой расход топлива, равный произведению С_уд·_{R, и, следовательно, расход топлива на 1 км пути. Газотурбинный двигатель позволяет работать как на обычном жидком углеводородном топливе (керосин, дизельное топливо), так и на газовом топливе (пропан, природный газ) одновременно или раздельно, что обеспечивает двухтопливная система подачи топлива в двухтопливную камеру сгорания и агрегаты системы регулирования двигателя. При работе на сжиженном природном газе, что предпочтительнее, чем на пропане, ввиду широкой распространенности природного газа и больших его природных запасов, дополнительное уменьшение расхода топлива составляет, с учетом потерь энергии на его газификацию пред подачей в камеру сгорания, еще 13... 14%. Сжиженный природный газ является криогенным веществом (температура кипения равна - 161° С), и емкости для его хранения на борту локомотива имеют специальную термоизолированную конструкцию. В связи с этим, для обеспечения их сохранности и повышения безопасности движения, указанные емкости (баки) установлены внутри кузова либо на крыше локомотива.}

Высокое значение степени двухконтурности газотурбинного двигателя позволяет уменьшить скорость истечения газовоздушной струи из реактивного сопла, что уменьшает шум, излучаемый в окружающую среду. Дополнительное уменьшение шума достигнуто выполнением в выходном устройстве плоского реактивного сопла, у которого в сечении среза отношение ширины “В” к высоте “Н” составляет В/Н≤ 0,25... 0,55. Такое сопло, у которого высота существенно больше ширины, снижает шум, излучаемый в направлении, перпендикулярном боковым стенкам сопла, т.е. в обе стороны от локомотива, а также в кабину машиниста (сопло аналогично соплу типа вертикальный “рыбий хвост”). Применение в выходном устройстве эжектора вокруг плоского сопла, учитывая невысокую степень эжекции воздуха из-за малой величины полного давления на срезе реактивного сопла (1,2... 1,5 кгс/см²), позволяет только на 3... 5% увеличить расход рабочего тела и эквивалентно этой величине повысить тягу и снизить шум благодаря некоторому дополнительному снижению скорости струи на срезе эжектора. Прирост обратной тяги также обеспечен работой эжектора при установке створок реверсора тяги в рабочее положение, когда струя за срезом эжектора повернута и направлена вперед. Поэтому в нерабочем положении створки реверсора тяги установлены за наружной поверхностью эжектора, а ось поворота створок в рабочее положение перпендикулярна оси газотурбинного двигателя в вертикальной плоскости.

Смешение потоков воздуха наружного контура и газа внутреннего контура перед выходным устройством уменьшает температуру реактивной струи на срезе реактивного сопла до 55° С... 75° С, а эжектор дополнительно понижает ее до 45° C... 65° C. Система отбора воздуха высокого давления из компрессора двигателя соединена с тормозной системой, которая состоит из реактивной части колодочного типа. Реактивная часть образована реверсором тяги и воздушными резервуарами, соединенными с системой отбора воздуха и снабженными тормозными реактивными соплами. Из тормозных реактивных сопел, например, с плоским сечением на срезе струя истекает вперед, создавая тормозную силу.

Реактивная часть тормозной системы обеспечивает полную остановку локомотива от реализуемой скорости движения, а стояночная часть обеспечивает удержание его на месте. Такое торможение исключает необходимость взаимодействия тормозных колодок и колес для создания тормозной силы, устраняет возможность возникновения неисправностей колес, тормозного оборудования и рельсового пути.

На фиг.1 - общий вид реактивного газотурбинного локомотива; на фиг.2 - схематический продольный разрез двухвального двухконтурного турбореактивного газотурбинного двигателя, установленного на раме; на фиг.3 - плоское реактивное сопло выходного устройства с эжектором и створками реверсора тяги, установленными в рабочее положение для создания обратной тяги (пунктиром - створки реверсора тяги в нерабочем положении).

Локомотив имеет раму 1 с кузовом 2, тележки 3, стояночные колодочные тормоза 4, двухконтурный турбореактивный газотурбинный двигатель 5 на раме 6, керосиновый топливный бак 7 с системой подачи 8, воздушные резервуары 9 с тормозными реактивными соплами 10 и рабочими клапанами 11, топливные баки 12 для сжиженного природного газа с системой подачи 13 газового топлива, входной канал 14 с воздухозаборником 15 и воздухоочистительное устройство 16, элементы шумоглушения 17, выходное устройство 18 с плоским реактивным соплом 19, реверсором тяги 20, эжектором 21, систему 22 отбора воздуха из компрессора с обратными клапанами 23 и трубопроводом 24, аэродинамический обтекатель 25.

Двухконтурный турбореактивный газотурбинный двигатель содержит малошумный вентилятор 26, канал наружного контура 27, компрессор внутреннего контура 28, двухтопливную камеру сгорания 29, турбину 30, теплообменник-газификатор 31 сжиженного природного газа, смеситель 32, агрегаты системы подачи газового топлива 33, агрегаты системы запуска 34, агрегаты системы автоматического регулирования 35, опоры 36 и 37, узлы крепления 38, рычаги 39, цапфы 40, створки 41.

Движение локомотива, работа двигателя и тормозной системы происходят следующим образом.

Воздух из атмосферы (фиг.1) поступает в воздухозаборник 15 и входной канал 14, где очищается от пыли и мелких посторонних предметов воздухоочистительным устройством 16, причем шум, генерируемый движением воздуха в канале 14, поглощается элементами 17 в виде звукопоглощающих конструкций (панелей). Далее воздух (фиг.1, продолжение 1) поступает в двигатель 5, который запускается с помощью агрегатов 34 системы запуска. Малошумный вентилятор 26 при вращении (фиг.2) повышает полное давление воздушного потока. За вентилятором 26 поток воздуха разделяется на две части. Одна часть поступает в канал 27 наружного контура с элементами шумоглушения 17, а вторая часть поступает в компрессор 28 внутреннего контура, где происходит дальнейшее повышение полного давления этой части воздуха. Отношение расходов воздуха наружного и внутреннего контуров представляет собой степень двухконтурности двигателя, например, в диапазоне 5... 10. Из компрессора 28 воздух поступает в двухтопливную камеру сгорания 29, а также в систему 22 отбора воздуха из компрессора 28 в тормозную систему. В двухтопливную камеру сгорания 29 системой подачи 8 подается керосин или дизельное топливо из керосинового бака 7. Одновременно система подачи 13 обеспечивает через агрегаты 33 подачу сжиженного природного газа из баков 12 через теплообменник-газификатор 31 в камеру сгорания 29 (подача керосина затем может быть выключена). При сгорании топлива образуются продукты сгорания с высокой температурой, которые поступают в турбину 30, приводящую во вращение вентилятор 26 и компрессор 28. Горячий газ из турбины 30 обтекает поверхность теплообменника-газификатора 31, благодаря чему сжиженный природный газ газифицируется. После этого поток рабочего тела из внутреннего контура смешивается с воздухом из канала 27 наружного контура смесителем 32, и общий поток выхлопных газов (фиг.1, продолжение 2) поступает выходное устройство 18 с элементами шумоглушения 17 и далее в плоское реактивное сопло 19. Такое сопло, у которого отношение ширины к высоте не более 0,25... 0,55, уменьшает шум, излучаемый по обе стороны от локомотива. Истечение струи из сопла 19 создает реактивную силу тяги, которая воспринимается деталями двигателя 5 и через опоры 36 и 37, раму 6 двигателя 5, узлы 38 крепления рамы 6 к раме 1 и раму 1 локомотива передается на оси колесных пар тележек 3. В результате происходит качение колес по рельсам и движение локомотива вперед. Колеса и рельсы воспринимают силу веса локомотива и момент силы тяги относительно центра тяжести, а их силовое взаимодействие через силу трения в контакте для создания силы тяги оказывается исключенным. Агрегаты 35 системы автоматического регулирования позволяют увеличить или уменьшить подачу топлива в камеру сгорания 29 и, тем самым, изменить частоты вращения вентилятора 26 и компрессора 28, изменить расход воздуха через двигатель 5 и изменить силу тяги. При увеличении расхода топлива и росте силы тяги происходит увеличение скорости движения локомотива вперед. При этом (фиг.3) створки 41 реверсора тяги 20 рычагами 39 повернуты вокруг цапф 40 и находятся в нерабочем положении за наружной поверхностью эжектора 21, через который подсасывается некоторое количество воздуха из атмосферы, что снижает шум струи и увеличивает силу тяги. Установка аэродинамического обтекателя 25 уменьшает сопротивление движению и потребную для движения силу тяги, а также защищает бак 12 сжиженного природного газа, размещенный на крыше кузова 2, от возможных повреждений.

Для торможения локомотива от реализуемой скорости V до полной остановки (V=0) створки 41 реверсора тяги 20 рычагами 39 переводятся в рабочее положение под углом β к оси струи из сопла 19. Поток выхлопных газов оказывается повернутым и направленным вперед практически под углом β , что позволяет получить обратную силу тяги, равную

R_обр=-R_прям·_{cos β ,}

где R_прям - сила тяги двигателя в режиме “прямой тяги”.

Величина R_прям определяется выражением

где - секундные расходы воздуха через наружный и внутренний контуры двигателя, кг/сек;

- секундный расход топлива через камеру сгорания, кг/сек;

- секундный отбор воздуха из компрессора, кг/сек;

W_с - скорость истечения струи из реактивного сопла, м/с;

V - скорость движения локомотива, м/с;

g=9,81 м/сек² - ускорение силы тяжести.

В результате основная часть тормозной силы равна

Х_осн=R_обр+X_{аэр. сопр.}, кгс,

где Х_{аэр. сопр.} - сила аэродинамического сопротивления.

Для создания дополнительной тормозной силы Х_доп из компрессора 28 системой 22 отбирается воздух в количестве Δ G_Вотб и через обратные клапаны 23 подается в воздушные резервуары 9, откуда он истекает через открытые рабочие клапаны 11 и тормозные реактивные сопла 10.

где W_трс - скорость истечения воздуха из тормозных реактивных сопел, м/с.

Общая тормозная сила локомотива равна

Удержание локомотива на месте после полной остановки обеспечивают стояночные тормоза 4 колодочного типа.

Задний ход локомотива после остановки обеспечивают реверсор тяги 20 и тормозные реактивные сопла 10.

Применение реактивного газотурбинного локомотива, с учетом потерь энергии на входе и выходе из двигателя, позволяет в 2,2... 2,3 раза уменьшить расход топлива, снизить уровень шума, исключить взаимодействие колес, рельсов и тормозного оборудования при создании силы тяги и тормозной силы, что повышает безопасность движения.

Источники информации

1. Шнеэ Я.И. Газовые турбины. - М.: Машгиз, 1960. – 506 с. (на с.496-503).

2. Фельдман Э.Д. Сравнительная технико-экономическая эффективность автономных видов тяги / Труды ВНИИЖТ, вып.333. - М.: Транспорт, 1967. – 179 с.

3. Ермишкин И.С., Юхневский А.А. Создание вагонов для скоростных поездов // Железнодорожный транспорт. - 2002. - №7. - С.59-63 (прототип).

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к реактивным газотурбинным локомотивам. Локомотив содержит кузов, ходовую часть, тормозную систему, реактивный газотурбинный двигатель с воздухозаборником, воздухоочистителем, системой запуска, системой автоматического регулирования, системой подачи топлива в двухтопливную камеру сгорания, элементами шумоглушения, системой отбора воздуха из компрессора двигателя, выходным устройством с плоским реактивным соплом, эжектором и створчатым реверсом тяги. Реактивный газотурбинный двигатель выполнен двухконтурным. Тормозная система состоит из реактивной части, образованной реверсом тяги и воздушными резервуарами, и стояночной части колодочного типа, створки реверсора тяги в нерабочем положении установлены за наружной поверхностью эжектора, а ось поворота створок реверсора в рабочее положение перпендикулярна оси двигателя в вертикальной плоскости, воздушные резервуары соединены с системой отбора воздуха из компрессора двигателя и снабжены рабочими клапанами и тормозными реактивными соплами. Трубопровод тормозной системы выполнен с возможностью подсоединения к воздушной магистрали тормозной системы поезда. Технический результат – упрощение конструкции тяговых и тормозных систем локомотива и повышение их надежности. 3 ил.

Реактивный газотурбинный локомотив, содержащий кузов, ходовую часть, емкости для сжиженного природного газа, емкость для керосина, тормозную систему с источником сжатого воздуха, воздушными резервуарами, трубопроводами, обратными клапанами, тормозными колодками, а также тяговую систему, включающую в себя не менее чем один реактивный газотурбинный двигатель с воздухозаборником, воздухоочистителем, системой запуска, системой автоматического регулирования, системой подачи топлива в двухтопливную камеру сгорания, элементами шумоглушения, системой отбора воздуха из компрессора двигателя, выходным устройством с плоским реактивным соплом, эжектором и створчатым реверсом тяги, отличающийся тем, что реактивный газотурбинный двигатель выполнен двухконтурным турбореактивным со степенью двухконтурности в диапазоне 5...10, сечение среза его плоского сопла выполнено с отношением ширины к высоте не более 0,25...0,55, емкости для сжиженного природного газа установлены внутри или снаружи кузова локомотива, тормозная система состоит из реактивной части, образованной реверсом тяги и воздушными резервуарами, и стояночной части колодочного типа, створки реверсора тяги в нерабочем положении установлены за наружной поверхностью эжектора, а ось поворота створок реверсора в рабочее положение перпендикулярна оси двигателя в вертикальной плоскости,воздушные резервуары соединены с системой отбора воздуха из компрессора двигателя, снабжены рабочими клапанами и тормозными реактивными соплами, а трубопровод тормозной системы выполнен с возможностью подсоединения к воздушной магистрали тормозной системы поезда.