СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ЛОКОМОТИВА С ЗАМКНУТОЙ СХЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБИНЫ Российский патент 2008 года по МПК F02C7/08 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, конкретно к силовым установкам локомотива, выполненным на базе газотурбинного двигателя (турбопоезда или газотурбовоза).

Работы по созданию газотурбовоза проведены в СССР и за рубежом. В Западной Европе наиболее интенсивные работы по газотурбовозам были развернуты во Франции.

Известна силовая установка по патент РФ на изобретению №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 по патенту РФ №2272916 (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 подача пара на вход в турбину резко уменьшает температуру продуктов сгорания, проходящих через нее и тем самым снижает КПД турбины и силовой установки в целом. Если же компенсировать снижение температуры газа перед турбиной увеличением расхода топлива, это приведет к дефектам в виде прогара сопловых и рабочих лопаток турбины. Кроме того, длительное пропускание большого расхода воды через систему охлаждения турбины приводит к отложению накипи в системе охлаждения турбины и ухудшению охлаждения. Применение дистиллированной воды невозможно по техническим и экономическим соображениям.

Задачи создания изобретения: повышение экономичности силовой установки и надежности турбины.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что силовая установка локомотива с замкнутой схемой охлаждения турбины, содержащая газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, отличается тем, что выход из регенеративного теплообменника соединен через систему охлаждения турбины с теплообменником-конденсатором и далее с емкостью для воды. Теплообменник-конденсатор установлен на входе в газотурбинный двигатель перед компрессором. Система охлаждения турбины выполнена в виде последовательно соединенных внутренних полостей соплового аппарата, рабочих лопаток турбины, уплотнений на полках рабочих лопаток турбины и коллектора отвода пара, выполненного на корпусе турбины над рабочими лопатками турбины.

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,

- 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 турбины 12 и рабочее колесо турбины 13. Рабочее колесо турбины 13 установлено на валу ГТД 14, на конце вала ГТД 14 установлен датчик оборотов ГТД 15. Свободная турбина 3 содержит сопловой аппарат свободной турбины 16, рабочее колесо свободной турбины 17. За рабочим колесом свободной турбины 17 установлен регенеративный теплообменник 18. Далее установлены задняя 19 с подшипником 20, в котором установлен вал свободной турбины 21, к которому подсоединен через муфту 22 вал нагрузки 23 с электрогенератором 4.

В системе регенерации перед регенеративным теплообменником 18 установлен водяной насос 24 с приводом водяного насоса 25, при этом магистраль подачи воды 26 соединяет регенеративный теплообменник 18 с емкостью воды 27. Емкость воды 27 содержит дренажный клапан 28. При этом система регенерации тепла замкнута, и емкость воды 27 предназначена для окончательной конденсации пара и хранения запаса воды. Выход из регенеративного теплообменника 18 соединен со входом в систему охлаждения турбины паропроводом 29. Для предварительной конденсации пара служит теплообменник-конденсатор 30, установленный на входе в газотурбинный двигатель перед компрессором 6. Теплообменник-конденсатор 30 соединен с выходным коллектором системы охлаждения турбины 31 посредством трубопровода 32. Выход их теплообменника-конденсатора 30 соединен трубопроводом рециркуляции 33 с баком воды 27.

Газотурбинный двигатель 1 оборудован стартером (на фиг.1 не показан). Привода 10 и 25 соединены электрическими связями с блоком управления 34. Блок управления 34 также соединен с датчиком оборотов ГТД 15. Силовая установка имеет выхлопное устройство 35.

Турбина 11 содержит сопловой аппарат 12, радиальные трубки 35, форсунки 36. Рабочее колесо турбины 13 содержит рабочие лопатки турбины 37, диск 38, дефлектор 39. Турбина 11 содержит корпус 40. На бандажных полках 41 рабочих лопаток турбины 37 выполнены уплотнения 42.

При работе при помощи стартера запускается ГТД 1, при этом подается сигнал с блока управления 33 на приводы 10 и 25, топливный насос 9 подает топливо в камеру сгорания 7. Выхлопные газы, проходя газовый тракт, поступают сначала на турбину ГТД 11, а потом в свободную турбину 3. Рабочее колесо свободной турбины 17 с валом свободной турбины 21 раскручиваются. Крутящий момент через муфту 22 передается на вал нагрузки 23 и далее на электрогенератор 4. С электрогенератора 4 электрическая энергия подается на электродвигатели, связанные с колесными парами локомотива (на фиг.1 и 2 не показано).

После запуска двигателя, который контролирует блок управления 34 по сигналу с датчика оборотов ГТД 15, блок управления 34 дает команду на включение привода водяного насоса 25, который раскручивает водяной насос 24, и вода по трубопроводу подачи воды 26, 28 подается в регенеративный теплообменник 18, где подогревается, тем самым тепло регенерируется в цикл работы силовой установки. По паропроводу 29 пар подается (фиг.2) в полости «А» соплового аппарата турбины 12, потом по радиальным трубкам 35 через форсунки 36 под дефлектор 39 в зазор «Б», далее в отверстия «В», потом в полости «Г» рабочих лопаток турбины 37, потом через отверстия «Д» и отверстия «Е» - в коллектор 3, потом по трубопроводу 32 в теплообменник-конденсатор 30. Вода из теплообменника-конденсатора 30 по трубопроводу рециркуляции 33 возвращается в емкость для воды 27. КПД силовой установки возрастает более чем в 2 раза, а именно с 20% без теплообменника до 45...50%. Уплотнения 42 не обеспечивают 100% герметичности полости между ними, поэтому небольшая часть расхода воды 1...2% уходит в газовый тракт турбины 11. По сравнению с прототипом расход воды уменьшается в 50...100 раз, это позволит предотвратить отложение накипи в системе охлаждения турбины 11.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить более чем в 2 раза КПД силовой установки за счет применения регенерации тепла и отсутствия расхода воды и за счет применения замкнутой схемы рециркуляции воды.

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

3. Уменьшить расход воды почти в 100 раз.

4. Предотвратить отложение накипи в системе охлаждения турбины.

Силовая установка локомотива с замкнутой схемой охлаждения турбины содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой установлен регенеративный теплообменник. Выход регенеративного теплообменника соединен с газотурбинным двигателем через систему охлаждения турбины с теплообменником-конденсатором и далее с емкостью для воды. Теплообменник-конденсатор установлен на входе в газотурбинный двигатель перед компрессором. Система охлаждения турбины выполнена в виде последовательно соединенных внутренних полостей соплового аппарата, рабочих лопаток турбины, уплотнений на бандажных полках рабочих лопаток турбины и коллектора, выполненного на корпусе турбины над рабочими лопатками турбины. Изобретение повышает КПД и надежность силовой установки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Силовая установка локомотива с замкнутой схемой охлаждения турбины, содержащая газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, отличающийся тем, что выход из регенеративного теплообменника соединен через систему охлаждения турбины с теплообменником-конденсатором и далее с емкостью для воды.2. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник-конденсатор установлен на входе в газотурбинный двигатель перед компрессором.3. Силовая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что система охлаждения турбины выполнена в виде последовательно соединенных внутренних полостей соплового аппарата, рабочих лопаток турбины, уплотнений на бандажных полках рабочих лопаток турбины и коллектора, выполненного на корпусе турбины над рабочими лопатками турбины.