СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ГАЗОТУРБОВОЗА С УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛА Российский патент 2007 года по МПК F01K21/04 

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.

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.

Известна силовая установка по патенту РФ на изобретение №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.

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.

Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.

Известна силовая установка газотурбовоза (см. SU 1768766, кл. F01D 17/00, 06.02.1990) (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.

Недостатками этого двигателя является низкий КПД силовой установки из-за того, что регенеративный теплообменник имеет недостаточную поверхность теплообмена для того, чтобы полностью утилизировать тепло выхлопных газов.

Задачи создания изобретения: повышение экономичности и надежности установки.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что силовая установка газотурбовоза с утилизацией тепла, содержащая газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой в выхлопном устройстве установлен регенеративный теплообменник, вход которого соединен через водяной насос с баком для воды. Выход из регенеративного теплообменника соединен через теплообменник охлаждения воздуха, который входит в воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, паровую турбину и теплообменник-конденсатор с баком для воды, а в выхлопном устройстве перед регенеративным теплообменником установлена дополнительная камера сгорания, подсоединенная к системе топливоподачи дополнительным топливным трубопроводом с регулятором расхода топлива, за регенеративным теплообменником установлен датчик температуры, а вход регенеративного теплообменника соединен через водяной насос с баком для воды. Теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего. Воздушная система охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины состоит из трубопровода отбора воздуха из-за компрессора, теплообменника охлаждения воздуха, коллектора, соплового аппарата с полостями внутри него и дефлектора на диске турбины.

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.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2, где на фиг.1 приведена схема силовой установки локомотива, а на фиг.2 приведена схема охлаждения турбины.

Предложенное техническое решение содержит газотурбинный двигатель ГТД 1 и подсоединенную газовым трактом 2 свободную турбину 3, к которой присоединен электрогенератор 4 (фиг.1).

ГТД 1 содержит воздухозаборное устройство 5, компрессор 6, камеру сгорания 7, систему топливоподачи 8 с топливным насосом 9 и приводом топливного насоса 10, турбину 11. Турбина 11 содержит сопловой аппарат 12 и рабочее колесо 13. Рабочее колесо 13 турбины 11 установлено на валу 14 ГТД, на конце вала 14 ГТД установлен датчик оборотов 15 ГТД. Свободная турбина 3 содержит сопловой аппарат 16, рабочее колесо 17. В выхлопном устройстве 18 установлен регенеративный теплообменник 19. Далее установлены задняя опора 20 с подшипником 21, в котором установлен вал свободной турбины 22, к которому подсоединен через муфту 23 вал нагрузки 24 с электрогенератором 4. Подшипник 21 имеет систему смазки 25.

Выход из регенеративного теплообменника 19 подключен трубопроводом подачи пара 26 к паровой турбине 27, на валу паровой турбины 28 установлен дополнительный электрогенератор 29. Выход из паровой турбины 27 подсоединен трубопроводом 30 к входу в теплообменник охлаждения воздуха, выход из теплообменника охлаждения воздуха 31 паровым трубопроводом 32 соединен с входом в теплообменник-конденсатор 33, выход из теплообменника-конденсатора 33 подсоединен трубопроводом рециркуляции 34 с баком для воды 35, выход из бака для воды 35 трубопроводом низкого давления 36 соединен с водяным насосом 37, имеющим привод 38. Выход из водяного насоса 37 трубопроводом высокого давления 39 соединен со входом в регенеративный теплообменник 19.

Блок управления 40 соединен электрическими связями с датчиком частоты вращения 15, приводом топливного насоса 10 и приводом водяного насоса 38.

Теплообменник охлаждения воздуха 31 по воздушной линии подключен трубопроводом отбора воздуха 41 к полости за компрессором 6, а его выход трубопроводом подачи воздуха 42 подключен к коллектору 43, установленному над сопловым аппаратом 12 турбины 11 и сообщающемуся посредством отверстий с полостью «А» внутри лопаток соплового аппарата 12. Теплообменник-конденсатор 33 установлен в топливной магистрали 8 после насоса горючего 9.

В системе топливоподачи 8 над камерой сгорания 7 установлен кольцевой коллектор 44, к которому подсоединен дополнительный топливный трубопровод 45 с регулятором расхода топлива 46, имеющим привод 47, соединенный с дополнительной камерой сгорания 48, установленной в выхлопном устройстве 18 перед регенеративным теплообменником 19. После регенеративного теплообменника 19 установлен датчик температуры 49.

Система охлаждения соплового аппарата 12 и рабочего колеса 13 турбины 11 работает на воздухе и содержит трубопровод отбора воздуха 41 от полости за компрессором 6, теплообменник охлаждения воздуха 31, коллектор 43, выполненный над сопловым аппаратом 12 турбины 11, трубки подвода воздуха 50 (фиг.2), форсунки 51. Рабочее колесо 13 турбины 11 содержит диск 52, рабочие лопатки 53, дефлектор 54 на диске турбины 11. Турбина 11 содержит корпус 55. На бандажных полках 56 рабочих лопаток 53 выполнены уплотнения 57.

При работе при помощи стартера запускается Г ТД 1, при этом подается сигнал с блока управления 40 на привода 10 и 38, топливный насос 9 подает жидкое топливо - сжиженный природный газ - сначала в теплообменник охлаждения воздуха 31, где оно испаряется и газифицируется, а потом оно подается в камеру сгорания 7, где воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1 и 2 не показано). Выхлопные газы, проходя газовый тракт, поступают сначала на турбину Г ТД 11, а потом в свободную турбину 3. Рабочее колесо 17 свободной турбины 3 с валом 22 раскручиваются. Крутящий момент через муфту 23 передается на вал нагрузки 24 и далее на электрогенератор 4. С электрогенератора 4 электрическая энергия подается на электродвигатели, связанные с колесными парами газотурбовоза (на фиг.1 и 2 не показано).

После запуска двигателя, который контролирует блок управления 40 по сигналу с датчика оборотов 15 Г ТД, блок управления 40 дает команду на включение привода водяного насоса 38, который раскручивает насос 37 и вода по трубопроводу высокого давления 39 подается в регенеративный теплообменник 19, где подогревается и испаряется, превращаясь в пар. Т.к. энергии пара, вырабатываемого в регенеративном теплообменнике, недостаточно для привода мощной паровой турбины 27, по дополнительному топливному трубопроводу 45 подают топливо в дополнительную камеру сгорания 48, сжигают его, тем самым подогревают пар дополнительно. Используя показания датчика температуры 49, блок управления 40 подает команду на привод регулятора расхода топлива 47, который при помощи регулятора 46 поддерживает расход топлива через дополнительную камеру сгорания 48.

Пар, имеющий температуру от 100 до 120°С, по паровому трубопроводу 26 подается сначала в теплообменник охлаждения воздуха 31, где охлаждает воздух, идущий на охлаждение турбины 11. Воздух, отбираемый из-за компрессора, имеет температуру до 500°С, а на выходе из теплообменника охлаждения воздуха - около 300°С. Пар при этом дополнительно подогревается на 10...20°С и поступает на паровую турбину 27, которая приводит в действие дополнительный электрогенератор 29. Дополнительный электрогенератор может иметь мощность, соизмеримую с мощностью основного электрогенератора 4, и использоваться для тех же целей, т.е. привода газотурбовоза. Тем самым утилизируется тепло выхлопных газов и тепло воздуха, охлаждающего турбину. Это позволит создать силовую установку, работающую длительное время с температурой газов на входе в турбину более 1500°С.

Охлаждение соплового аппарата 12 и рабочего колеса 13 турбины 11 осуществляется следующим образом. Воздух высокого давления за компрессором 6 по трубопроводу отбора воздуха 41 подается сначала в теплообменник охлаждения воздуха 31, потом по трубопроводу подачи воздуха 42 в коллектор 43, потом в полости «А» соплового аппарата 12 турбины 11, где охлаждает сопловой аппарат 12 турбины 11, далее по трубкам 50 через форсунки 51 - в полость «Б», потом через отверстия «В» - в полость «Г» и далее через отверстия «Д» выходит в газовый тракт турбины 11.

В результате использования новой схемы регенерации тепла КПД силовой установки возрастает более чем в 2 раза, а именно с 20% без теплообменника до 47...53%. Это достигнуто утилизацией тепла в паровой турбине 27, применением дополнительной камеры сгорания 48, использованием хладоресурса топлива для повышения температуры газа перед турбиной 11 и поддержанием оптимальной температуры по датчику температуры 49.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить КПД силовой установки за счет применения утилизации тепла в паровой турбине, применения дополнительной камеры сгорания и форсирования температуры газа перед турбиной.

2. Улучшить надежность силовой установки и, в первую очередь, турбины за счет ее эффективного охлаждения.

3. Отказаться от применения воды для охлаждения турбины.

4. Предотвратить отложение накипи в системе охлаждения турбины.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту. Силовая установка газотурбовоза с утилизацией тепла содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой в выхлопном устройстве установлен регенеративный теплообменник, выход из регенеративного теплообменника соединен через теплообменник охлаждения воздуха, паровую турбину и теплообменник-конденсатор с емкостью для воды, а в выхлопном устройстве перед регенеративным теплообменником установлена дополнительная камера сгорания. Теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего. Турбина содержит воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, в которую входит трубопровод отбора воздуха из-за компрессора, теплообменник охлаждения воздуха, коллектор, сопловой аппарат с полостями внутри него и дефлектор на диске турбины. Изобретение позволяет повысить КПД и надежность силовой установки. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Силовая установка газотурбовоза с утилизацией тепла, содержащая газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой в выхлопном устройстве установлен регенеративный теплообменник, вход которого соединен через водяной насос с баком для воды, отличающаяся тем, что выход из регенеративного теплообменника соединен через теплообменник охлаждения воздуха, который входит в воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, паровую турбину и теплообменник-конденсатор с баком для воды, а в выхлопном устройстве перед регенеративным теплообменником установлена дополнительная камера сгорания, подсоединенная к системе топливоподачи дополнительным топливным трубопроводом с регулятором расхода топлива, за регенеративным теплообменником установлен датчик температуры, а вход регенеративного теплообменника соединен через водяной насос с баком для воды.2. Силовая установка газотурбовоза с утилизацией тепла по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего.3. Силовая установка газотурбовоза с утилизацией тепла по п.1, отличающаяся тем, что воздушная система охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины состоит из трубопровода отбора воздуха за компрессором, теплообменника охлаждения воздуха, коллектора, соплового аппарата с полостями внутри него и дефлектора на диске турбины.