СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ГАЗОТУРБОВОЗА Российский патент 2007 года по МПК F02C6/20 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту.

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

Извесна силовая установка по патенту РФ №212418, прототип, которая содержит газотурбинный двигатель, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель с силовой турбиной и обводной канал, который соединяет газовый тракт между турбинами и перед свободной турбиной.

Недостатком этой силовой установки является плохие характеристики ее запуска, конкретно большое время запуска. Это связано с тем, что газодинамическое сопротивление свободной турбины имеет значительную величину и мощности стартера недостаточно для одновременной раскрутки нескольких газотурбинных двигателей и свободной турбины, с которой отбирается мощность на трансмиссию.

Задача изобретения - улучшение запуска силовой установки газотурбовоза и повышение ее экономичности.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что силовая установка газотурбовоза, содержащая трехвальный двухконтурный газотурбинный двигатель, имеющий первый, второй и третий каскады, соответственно с компрессорами первого, второго и третьего каскадав, соединенных внутренним, средним и наружным валами с турбинами низкого, среднего и высокого давления, и свободную турбину, газодинамически связанную с трехвальным двухконтурным газотурбинным двигателем, соединенной, в свою очередь, с электрогенератором, отличается тем, что выполнен обводной канал высокого давления с клапаном высокого давления, соединяющий выход из турбины высокого давления с выходом из свободной турбины. Выполнен обводной канал среднего давления, соединяющий выход из турбины среднего давления с выходом из свободной турбины. Выполнен обводной канал низкого давления с клапаном низкого давления, соединяющий выход из турбины низкого давления с выходом из свободной турбины. Силовая установка содержит вспомогательный дизель, вал которого соединен с валом третьего каскада трехвального двухконтурного газотурбинного двигателя. Свободная турбина имеет регулируемый сопловой аппарат свободной турбины с приводом регулирования, соединенным электрической связью с блоком управления. Трехвальный двухконтурный газотурбинный двигатель и свободная турбина выполнены модульной конструкции. Трехвальный двухконтурный газотурбинный двигатель и свободная турбина установлены в контейнер, имеющий систему охлаждения, совмещенную с системой регулирования радиальных зазоров в трехвальном двухконтурном газотурбинном двигателе и в свободной турбине. Контейнер выполнен из двух частей и имеет продольный разъем и люки для осмотра и замены агрегатов. Силовая установка содержит систему охлаждения масла с масловоздушным теплообменником.

Электрогенератор может быть расположен на входе в трехвальный двухконтурный газотурбинный двигатель. Силовая установка выполнена модульной конструкции.

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...12, где

- на фиг.1 приведена первая схема силовой установки газотурбовоза без перепуска,

- на фиг.2 - схема регулирования радиальных зазоров,

- на фиг.3 приведена схема компрессора,

- на фиг.4 приведена схема охлаждения масла,

- на фиг.5 приведена турбина и свободная турбина с расположением электрогенератора на выходе из свободной турбины,

- на фиг.6 приведена схема турбины и свободной турбины с расположением электрогенератора на входе в ГТД,

- на фиг.7 приведена схема компрессора с расположением электрогенератора на входе в ГТД,

- на фиг.8 и 9 приведена конструкция контейнера,

- на фиг.10 приведена схема силовой установки газотурбовоза с перепуском из-за турбины высокого давления,

- на фиг.11 приведена схема силовой установки газотурбовоза с перепуском из-за турбины высокого давления и из-за турбины среднего давления,

- на фиг.12 приведена схема силовой установки газотурбовоза с перепуском из-за турбин высокого давления, среднего давления и низкого давления.

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит трехвальный газотурбинный двигатель ГТД 1 и свободную турбину 2, установленную на выходе из ГТД 1. Полость на выходе из свободной турбины 2, образована корпусом свободной турбины 3. На выходе из свободной турбины установлен выхлопной диффузор 4.

Газотурбинный двигатель 1 содержит входное устройство 5, компрессор 6, камеру сгорания 7, имеющую систему топливоподачи 8 и топливный насос 9 и турбину 10.

К свободной турбине 2 подсоединен электорогенератор 11, который посредством электрических связей 12 через коммутатор 13 соединен с приводными электрическими двигателями 14, которые, в свою очередь, связаны с приводными колесными парами 15. С одним из роторов ГТД 1, предпочтительно с ротором третьего каскада ГТД 1 через вал 16 соединен вспомогательный дизель 17, предназначенный для маневрирования газотурбовоза и для запуска ГТД 1. К вспомогательному дизелю 17 подключен вспомогательный электрогенератор 18, предназначенный для маневрирования газотурбовоза. Соединительные муфты вспомогательного дизеля 17 на фиг.1 не показаны. Электрическими связями 12 вспомогательный электрогенератор 18 через коммутатор 13 имеет возможность соединяться с электродвигателями 14.

Компрессор 6 (фиг.1) состоит из каскада компрессора низкого давления 19, каскада компрессора среднего давления 2 и, каскада компрессора высокого давления 21. Турбина 10 состоит из турбины высокого давления 22, турбины среднего давления 23 и турбины низкого давления 24. Свободная турбина 2 состоит из регулируемого направляющего аппарата 25 с приводом регулирования 26 и рабочего колеса свободной турбины 27.

В схеме регулирования силовой установки предусмотрен, по крайней мере, один датчик оборотов 28 и блок управления 29, соединенные электрическими связями.

ГТД 1 имеет наружный корпус 30, температура которого может достигать 100...130 °С, что небезопасно при обслуживании. Кроме того, на поверхности наружного корпуса 10 размещены агрегаты управления и регулирования, доступ к которым без крайней необходимости нежелателен. Также при транспортировке силовой установки с завода-изготовителя к заказчику эти агрегаты могут быть повреждены. Для устранения этих недостатков силовая установка установлена в контейнер 31. Для обслуживания агрегатов предусмотрены закрывающиеся люки 32. Силовая установка в контейнере 31 установлена на опорах 33.

Предусмотрена система охлаждения внешнего корпуса 30 и корпуса свободной турбины 4.

Возможны семь вариантов исполнения силовой установки газотурбовоза в зависимости от схемы перепуска, четыре из которых показаны на фиг.1, 10, 11 и 12:

- без перепуска,

- с перепуском после турбины высокого давления,

- с перепуском после турбины среднего давления,

- с перепуском после турбины низкого давления.

Возможны сочетания из двух любых вариантов перепуска, которые не приводятся на фиг.1, 10, 11 и 12.

Компрессор 6 (фиг.5) содержит три каскада компрессора: первый каскад компрессора (вентилятор) 19, второй каскад компрессора 20 и третий каскад компрессора 21.

Турбина 10 состоит из трех ступеней: турбина высокого давления 22, турбины среднего давления 23 и турбины низкого давления 24.

Свободная турбина 2 состоит из регулируемого соплового аппарата свободной турбины 25 с приводом регулирования 26 и рабочего колеса свободной турбины 27. На одном из роторов ГТД 1 установлен датчик оборотов 28. Блок управления 29 представляет собой электронный прибор, соединенный электрическими связями со всеми датчиками и приводами, имеющимися на ГТД 1.

С блоком управления 29 соединены насос 9, коммутатор 13, датчик оборотов 28 и привод регулирования 26.

Компрессор (фиг.2) содержит первый каскад компрессора 11 (вентилятор), второй каскад компрессора 12, третий каскад компрессора 13, корпус 14 и наружный кожух 15. Турбина (фиг.2) содержит первую ступень турбины 16, вторую ступень турбины 10, третью ступень турбины 11, внутренний вал 12, средний вал 13 и внешний вал 14. Первый каскад ГТД 1 образован первым каскадом компрессора 5, внутренним валом 12 и третьей ступенью турбины 14. Второй каскад ГТД 1 образован вторым каскадом компрессора 6, средним валом 13 и второй ступенью турбины 10. Третий каскад ГТД 1 образован третьим каскадом компрессора 7, первой ступенью турбины 9 и внешним валом 14.

ГТД 1 содержит систему топливоподачи 16 с топливным насосом 17.

Первая ступень турбины 9, в свою очередь содержит сопловой аппарат первой ступени турбины 18, рабочее колесо первой ступени турбины 19. Вторая ступень турбины 10 содержит сопловой аппарат второй ступени турбины 20 и рабочее колесо второй ступени турбины 21. Третья ступень турбины 11 содержит сопловой аппарат третьей ступени турбины 22 и рабочее колесо третьей ступени турбины 23.

Свободная турбина 2 содержит регулируемый сопловой аппарат свободной турбины 25, с приводом регулятора 26, рабочее колесо свободной турбины 27. На оси одного из роторов ГТД установлен датчик оборотов 28, подключенный электрической связью к блоку управления 29.

ГТД 1 содержит корпус ГТД 30. В связи с тем, что при работе корпус 30 ГДТ 1 может иметь температуру более 100 0С ГТД 1 вместе со свободной турбиной 2 установлен в контейнер 31. Контейнер 31 имеет люки 32 для обслуживания агрегатов. ГТД 1 и свободная турбина 2 установлены в контейнере 31 на опорах 33. Оригинальной особенностью силовой установки является то, что она оборудована системой охлаждения ГТД 1 и свободной турбины 2, совмещенной с системой регулирования радиальных зазоров. Эта система содержит систему подачи охлаждающего воздуха 34, систему сброса воздуха 35 и датчик температуры воздуха 36, соединенный электрической связью с блоком управления 29.

На фиг.2 приведен один из возможных вариантов подачи охлаждающего воздуха 34, который содержит кольцевой коллектор 37 с отверстиями «Б». К полости за первой ступенью первого каскада компрессора подключен трубопровод отбора воздуха 38 с клапаном отбора 39, имеющим регулятор расхода воздуха 40, к выходу которого подключен трубопровод 41, соединяющий этот регулятор с кольцевым коллектором 37.

Компрессор (фиг.3) предназначен для сжатия воздуха в первом и втором контурах («Б» и «В» соответственно) и содержит направляющий аппарат первой ступени компрессора 42, рабочее колесо первой ступени компрессора 43, установленные на дисках компрессора первой ступени 44 на валу первой ступени компрессора 45. Вторая ступень компрессора содержит направляющие аппараты второй ступени компрессора 46, рабочие колеса второй ступени компрессора 47, установленные на дисках второй ступени компрессора 48, который, в свою очередь, установлены на промежуточных валах 49. Далее установлены направляющие лопатки третьей ступени компрессора 50, потом рабочие колеса третьей ступени компрессора 51, установленные на дисках третьего каскада компрессора 52, установленных, в свою очередь, на внутреннем валу 53. (фиг.3).

Силовая установка оборудована системой охлаждения масла, на всех опорах (фиг.4), которая содержит систему подачи масла 54 и систему отвода масла 55. Кроме того, система охлаждения масла содержит масловоздушный теплообменник 56, подключенный к системе отвода масла 55, маслонасос 57, привод маслонасоса 58, датчик температуры масла 59, систему подачи воздуха 60, вентилятор 61 и трубопровод сбора 62. Система подачи воздуха 60 может работать по двум вариантам: от скоростного напора воздуха при движении газотурбовоза и от вентилятора 61.

Турбина ГТД содержит сопловой аппарат ступени низкого давления 63, рабочее колесо первой ступени турбины 64, установленное на рабочем колесе 65, сопловой аппарат турбины среднего давления 66, рабочее колесо турбины среднего давления 67, установленные на дисках турбин среднего давления 68, сопловой аппарат турбины низкого давления 69, рабочие колесо (колеса) турбины низкого давления 70, установленные на дисках турбины низкого давления 71, заднюю опору 72, смеситель 73.

Свободная турбина 2 содержит одно или несколько рабочих колес свободной турбины 74 с рабочим колесом 27, которое (которые) установлены на валу свободной турбины 76, соединенном с валом электрогенератора 76 (фиг.5).

На фиг.6 приведен вариант исполнения силовой установки, когда электрогенератор установлен на входе в ГТД 1. При этом вал свободной турбины проходит внутри вала каскада низкого давления 45, выполненного пустотелым и соединяется с валом электрогенератора 76 (фиг.7).

Контейнер 31 (фиг.8 и 9) предпочтительно выполнить из двух частей: верхней 77 и нижней 78 со стыком 79.

Силовая установка может содержать один из трех обводных каналов, или два из них, или все три в общей компоновке, т.е. всего возможны семь вариантов исполнения. В заявке в дальнейшем описаны 4 варианта, первый из которых (без перепуска) приведен на фиг.1.

Второй вариант (фиг.10) содержит обводной канал 80, который соединяет выход из турбины высокого давления 22 с выходом из свободной турбины 2. Этот обводной канал содержит регулятор расхода высокого давления 81 с приводом 82.

Обводной канал среднего давления 83 (фиг.11) соединяет выход из турбины среднего давления 23 с выходом из свободной турбины 2. В линии этого обводного канала установлен регулятор среднего давления 84 с регулятором 85.

Обводной канал низкого давления 86 (фиг.12) соединяет выход турбины низкого давления 24 с выходом из свободной турбины 2 и содержит регулятор низкого давления 87 с приводом 88.

При запуске силовой установки электрический сигнал подается с системы управления 29 на вспомогательный дизель 17, выполняющий функцию стартера (фиг.1) и на топливный насос 9. Вспомогательный дизель 17 раскручивает ротор высокого давления, т.е. внешний вал 53 с компрессором второго каскада 6 и турбиной низкого давления 8. Мощность вспомогательного дизеля 17 тратится на раскрутку только одного из трех роторов ГТД 1, а именно, ротора высокого давления.

Когда осуществится запуск газотурбинного двигателя ГТД 1, его обороты достанут рабочих, что контролируют датчик оборотов 28, блок управления 29 подает сигнал на привода один или два или три привода 82, 85 и 88, клапана 81, 84 и 87 закрываются. Раскручиваются роторы среднего и низкого давления и ротор свободной турбины 2.

В результате этого ГТД 1 запускается значительно быстрее, т.к. мощность вспомогательного дизеля, выполняющего функцию стартера, не затрачивается на раскрутку роторов среднего и низкого давления ГТД 1 и на раскрутку ротора свободной турбины 2.

Датчики температуры 36 контролируют температуру воздуха на выходе из систем охлаждения и регулирования радиальных зазоров и передают эти данные в блок управления 29. При превышении температуры воздуха на выходе, например более 95°С, блок управления 29 подает сигнал на привод 40 для открытия регулятора 39 (фиг.2). При температуре ниже 80°С подается сигнал на прикрытие регулятора 39. Это позволяет поддерживать минимальный радиальный зазор между рабочими лопатками и статорами компрессоров, турбин и свободной турбины. КПД силовой установки вследствие этого возрастет на 2...4% по сравнению с лучшими мировыми образцами изделий аналогичного назначения, а расход топлива соответственно уменьшится.

При этом газотурбовоз (локомотив) имеет возможноть при движении использовать мощность ГТД 1 в диапазоне от 6 до 40 МВт, по сравнению с максимальной мощностью локомотивов, используемых в РФ 1800 Квт, что позволит достичь скорости 500 км/час и более.

Регулирование радиального зазора осуществляется за счет охлаждения корпусов компрессора, турбины и свободной турбины 2, при этом диаметр статора D1 уменьшается и зазор δ тоже уменьшается (это видно на примере регулирования радиального зазора в компрессоре, фиг.7).

Применение изобретения позволило:

1. Облегчить (ускорить) запуск силовой установки газотурбовоза,

2. Повысило надежность силовой установки,

3. Улучшило экономичность установки,

4. Обеспечило безопасность работ,

5. Создало условия для транспортировки,

6. Обеспечило ремонтопригодность.

Силовая установка газотурбовоза содержит трехвальный двухконтурный газотурбинный двигатель, имеющий первый, второй и третий каскады, соответственно с компрессором первого, второго и третьего каскада, соединенных внутренним, средним и наружным валами с турбинами низкого, среднего и высокого давления, и четвертую, свободную турбину, газодинамически связанную с трехвальным двухконтурным газотурбинным двигателем, соединенную, в свою очередь, с электрогенератором. Двигатель снабжен системой регулирования радиальных зазоров и установлен в контейнер. Контейнер имеет систему охлаждения, включающую трубопровод отбора воздуха из полости за первой ступенью первого каскада с регулятором расхода воздуха и датчик температуры воздуха, соединенный электрической связью с блоком управления. Изобретение направлено на улучшение запуска и повышение экономичности. 14 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Силовая установка газотурбовоза, содержащая трехвальный двухконтурный газотурбинный двигатель, имеющий первый, второй и третий каскады, соответственно с компрессором первого, второго и третьего каскада, соединенных внутренним, средним и наружным валами с турбинами низкого, среднего и высокого давления, и четвертую, свободную турбину, газодинамически связанную с трехвальным двухконтурным газотурбинным двигателем, соединенную, в свою очередь, с полезной нагрузкой, отличающаяся тем, что двигатель снабжен системой регулирования радиальных зазоров, установлен в контейнер, имеющий систему охлаждения, включающую трубопровод отбора воздуха из полости за первой ступенью первого каскада с регулятором расхода воздуха и датчик температуры воздуха, соединенный электрической связью с блоком управления, а полезной нагрузкой является электрогенератор.2. Силовая установка газотурбовоза по п.1, отличающаяся тем, что выполнен, по меньшей мере, один обводной канал, соединяющий, по меньшей мере, выход из одной турбины с выходом из свободной турбины.3. Силовая установка газотурбовоза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит вспомогательный дизель, вал которого соединен с валом третьего каскада трехвального двухконтурного газотурбинного двигателя.4. Силовая установка газотурбовоза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что контейнер выполнен из двух частей и имеет продольный разъем и люки для осмотра и замены агрегатов.5. Силовая установка газотурбовоза по п.3, отличающаяся тем, что контейнер выполнен из двух частей и имеет продольный разъем и люки для осмотра и замены агрегатов.6. Силовая установка газотурбовоза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит систему охлаждения масла с масловоздушным теплообменником.7. Силовая установка газотурбовоза по п.3, отличающаяся тем, что она содержит систему охлаждения масла с масловоздушным теплообменником.8. Силовая установка газотурбовоза по п.4, отличающаяся тем, что она содержит систему охлаждения масла с масловоздушным теплообменником.9. Силовая установка газотурбовоза по п.5, отличающаяся тем, что она содержит систему охлаждения масла с масловоздушным теплообменником.10. Силовая установка газотурбовоза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что электрогенератор расположен на входе в трехвальный двухконтурный газотурбинный двигатель.11. Силовая установка газотурбовоза по п.3, отличающаяся тем, что электрогенератор расположен на входе в трехвальный двухконтурный газотурбинный двигатель.12. Силовая установка газотурбовоза по п.4, отличающаяся тем, что электрогенератор расположен на входе в трехвальный двухконтурный газотурбинный двигатель.13. Силовая установка газотурбовоза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она выполнена модульной конструкции.14. Силовая установка газотурбовоза по п.3, отличающаяся тем, что она выполнена модульной конструкции.15. Силовая установка газотурбовоза по п.4, отличающаяся тем, что она выполнена модульной конструкции.