Газотурбинное транспортное средство Советский патент 1987 года по МПК B60K17/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных транспортных средствах.

Цель изобретения - повышение КПД привода ведущего моста газотурбинного транспортного средства.

На фиг. 1 показано газотурбинное транспортное средство, общий вид; на фиг. 2 - расположение основных агрегатов на газотурбинном транспортном средстве; на фиг. 3 - ведущий мост, разрез; на фиг. 4 - механизм управления пневмомотором; на фиг. 5 - разрез А-А на фиг. 4; на фиг. 6 - устройство регулятора скорости движения; на фиг. 7 - разрез Б-Б на фиг. 6; на фиг. 8 - разрез В-В на фиг. 7; на фиг. 9 - разрез Г-Г на фиг. 4, в первом положении; на фиг. 10 - то же, во втором положении; на фиг. 11 - разрез Д-Д на фиг. 4, в первом положении; на фиг. 12 - то же, во втором положении; на фиг. 13 - устройство газовой турбины; на фиг. 14 - компрессор; на фиг. 15 - раз- рез Е-Е на фиг. 13; на фиг. 16 - разрез Ж-Ж на фиг. 13; на фиг. 17 - диаграмма комбинированного рабочего цикла газовой турбины и теплосиловой пневматической передачи.

Транспортное средство (фиг. 1 и 2) состоит из ходовой части с ведущим мостом 1, газовой турбины 2, компрессора 3, пневмо- мотора 4, теплообменника 5, топливного бака 6, коробки приводов 7, воздухопроводов 8-12 и выхлопной трубы 13.

Коробка приводов 7 (фиг. 13) с газовой турбиной 2 и компрессором 3 образуют газотурбинную компрессорную установку, оборудованную системой запуска турбины с электрическим мотор-генератором 14, запальной свечой 15, системой топливоподачи с топливным насосом 16 и форсунками 17, системой смазки с блоком насосов 18, одна секция которого подключена к системе смазки газотурбинной компрессорной установки и ведущего моста с пневмомотором, а вторая - к рабочей гидросистеме транспортного средства.

Вал турбины 2 связан с валом компрессора через планетарную зубчатую передачу. При этом хвостовик водила 19 планетарной передачи жестко связан с валом 20 и оборудован зубчатым венцом, входящим в зацепление с зубчатым колесом 21 привода гидронасосов и зубчатым колесом 22 привода мотор-генератора и топливного насоса.

Компрессор 3 (фиг. 14) выполнен в виде объемного пневматического агрегата известной конструкции с двухвершинным жестким ротором 23, профилированным корпусом 24, валом 20 с эксцентриком 25, уплотнитель- ными пластинами 26. Впускное окно компрессора оборудовано воздухопроводом 8 всасывания, а выпускное - воздухопроводом 9 нагнетания. В канале нагнетания ком- прессора установлен обратный клапан 27. Воздухопровод 9 нагнетания (фиг. и 2) соединен с теплообменником 5 и оборудован

5

5

0 0

0

5

0

5

5

0

патрубком 12 (фиг. 16), соединенным с камерой сгорания газовой турбины через предохранительный обратный клапан 28.

Теплообменник 5 (фиг. 15) состоит из цилиндрического корпуса 29, установленного в выхлопном канале турбины и оборудованного выхлопной трубой 13. В корпусе 29 герметично закреплены теплообменные трубы 30, выходящие на .боковые поверхности корпуса и закрытые боковыми крыщками 31 и 32. Крыщка 31 соединена воздухопроводом 9 с компрессором, а крышка 32 с помощью патрубка 10 - с впускным каналом пневмомотора.

Ведущий мост транспортного средства (фиг. 3) состоит из корпуса 33, установленного в нем на подщипниковых опорах 34 дифференциала 35, ведомых полуосей 36 и пневмомотора 4, рабочий вал 37 которого соединен с корпусом дифференциала с помощью конической зубчатой передачи 38 и 39. Конструкция пневмомотора 4 аналогична конструкции пневмокомпрессора 3 (фиг. 14).

Впускное и выпускное окна пневмомотора выведены на общую плоскость боковой поверхности его корпуса, оборудованную крышкой 40 с двумя Т-образными каналами, совпадающими с впускным и выпускным окнами. В перекрытия Т-образных каналов установлен трехпозиционный золотник 41 с противоположно размещенными лыска- ми 42 и 43. Хвостовик золотника выведен из крыщки наружу и оборудован рукояткой 44 ручного переключения направления вращения пневмомотора.

Одна боковая поверхность крыщки 40 соединена патрубком 10 с теплообменником, а другая боковая поверхность с помощью воздухопровода 11 соединена с камерой сгорания газовой турбины.

Механизм регулирования скорости движения транспортного средства выполнен в виде установленного на ступице корпуса дифференциала центробежного регулятора с расходящимися грузами 45 и подвижным элементом 46, соединенным с вилкой 47, жестко закрепленной на оси 48.

Ось 48 (фиг. 6) установлена в расточках корпуса 49, хвостовик ее вв веден наружу и оборудован рычагом 50, соединенным тягой 51 с рычагом управления подачей топлива 52 топливного насоса 16.

Второй конец вилки 47 (фиг. 3) опирается на упругий элемент 53, установленный в расточку корпуса 49. Опора упругого элемента 53 выполнена в виде рычага 54, жестко посаженного на вал 55. Вал шарнирно закреплен в крышке 56, хвостовик его выведен наружу и оборудован рычагом 57 с тягой 58 ручной настройки регулятора на заданную частоту вращения.

Топливный насос газотурбинной установки оборудован устройством, обеспечивающим независимое управление подачей топлива как вручную, так и от регулятора ведущего моста.

Устройство состоит из жестко закрепленной на валике управления регулятором топливного насоса муфты 59 (фиг. 6), связанной пружиной 60 с корпусом топливного насоса. Муфта оборудована штифтом 61 и двумя цилиндрическими проточками 62, на которые шарнирно посажены рычаги 52 и 63, имеющие упоры 64. Рычаг 52 связан тягой 51 с рычагом 50 регулятора ведущего моста, а рычаг 63 тягой 65 связан с рычагом 66 ручного управления подачей топлива.

Для запуска газовой турбины золотник 41 управления пневмомотором 4 (фиг. 9-12) поворачивают в положение, при котором лыски 42 и 43 параллельны продольным воздущным каналам крыщки 40, т. е. параллельны стрелкам П. Запуск осуществляется с помощью электрического мотор-генератора 14 (фиг. 13), который через блок щестерен, водило 19 планетарной передачи, зубчатое колесо 21 приводит в движение турбину, компрессор, топливный и масляный насосы.

Нагнетаемый компрессором 3 воздух по воздухопроводу 9 (фиг. 1) поступает в теплообменник 5, из которого по патрубку 10 направляется в продольные каналы крыщки 40 пневмомотора 4 (фиг. 3 и 4), беспрепятственно проходит эти каналы в направлении стрелок П и по воздухопроводу 11 (фиг. 4 и 1) поступает в камеру сгорания газовой турбины 2 (фиг. 6), куда с помощью топливного насоса 16 и форсунок 17 впрыскивается топливо. Первичное воспламенение топлива осуществляется с помощью запальной свечи 15. После разгона турбины до устойчивого режима работы пусковая система отключается известным способом.

Преобразование циклической подачи воздуха объемным компрессором в непрерывную подачу его в камеру сгорания турбины обеспечивается установленным в канале нагнетания компрессора обратным клапаном 27, исключающим «мятие воздуха, и наличием в теплообменнике сферических кры- щек 31 и 32, выполняющих функции ресивера.

Подача топлива в камеру сгорания турбины осуществляется известным для дизельных двигателей топливным насосом 16 плунжерного типа с всережимным центробежным регулятором. Н астройка регулятора на заданный скоростной режим работы турбины производится вручную с помощью рукоятки 66 (фиг. 6).

Для приведения транспортного средства в движение золотник 41 пневмомотора (фиг. 5) поворачивают с помощью рукоятки 44 в положение, при котором лыски 42 и 43 перпендикулярны продольным воздущным каналам крыщки 40 и параллельны стрелкам Р. При этом сквозное движение воздуха

по продольным каналам крыщки прекращается, одна лыска золотника соединяет внутреннюю полость пневмомотора 4 с патрубком 10 теплообменника, а другая - с воздухопроводом 11 .камеры сгорания турбины.

Ротор пневмомотора под действием подаваемого из теплообменника во внутреннюю полость мотора сжатого воздуха начинает вращательное движение, которое

0 через вал 37 и зубчатую передачу 38 и 39 передается на корпус дифференциала 35 ведущего моста, откуда через полуоси 36 - на колеса транспортного средства.

В период включения пневмомотора дав5 ление в магистрали нагнетания компрессора резко возрастает. Во избежание остановки турбины от резкого возрастания нагрузки избыточный воздух в этот период стравливается через патрубок 12 (фиг. 1 и 16) и предохранительный обратный клапан 28 непо0 средственно в камеру сгорания турбины. После разгона транспортного средства сопротивление движению снижается, работа предохранительного клапана прекращается, газовая турбина, компрессор и пневмомотор

с начинают совместную работу с последовательным прохождением воздуха через компрессор, теплообменник, пневмомотор, камеру сгорания турбины и далее рабочих газов - через турбину, теплообменник, .выхлопную трубу.

0 На диаграмме условного цикла их совместной работы (фиг. 17) кривая 1-2 характеризует адиабатическое сжатие воздуха объемным компрессором, кривая 2-3 - тепловое расширение сжатого воздуха в теплообменнике при постоянном давлении, кривая

5 3-4 - адиабатическое расширение сжатого воздуха на выходе из пневмомотора, кривая 4-5 - тепловое расширение воздуха при остаточном постоянном давлении за счет подвода теплоты сгорания топлива (образование рабочего газа турбины), кривая 5-

0 6 - адиабатическое расщирение рабочего газа при прохождении через турбину, кривая 6-7 - охлаждение рабочих газов в теплообменнике.

Площадь 8-10-2-1 диаграммы опре деляет работу, затрачиваемую объемным компрессором на сжатие воздуха в течение условного цикла, площадь 9-10-3-4 - работу пневмомотора на цикл, площадь 8- 9-5-6 - работу турбины за цикл. Необходимым условием осуществления данного

П цикла является превышение площади 8-9- 5-6 по отношению к площади 8-10-2-1, т. е. работа турбины за цикл должна быть больше затрачиваемой компрессором работы на сжатие воздуха и быть достаточной для приведения в движение компрессора

5 и вспомогательных агрегатов транспортного средства. При этом работа пневмомотора 9-10-3-4 полностью затрачивается на приведение в движение ведущего моста

транспортного средства, т. е. является полезной работой.

Работа сжатия воздуха компрессором 8-10-2-1 состоит из двух составных частей. Площадь 8-9-11 - 1 определяет работу сжатия воздуха, необходимую для обеспечения работы газоьэй турбины. Площадь 9-10-2-11 определяет работу сжатия воздуха компрессором за счет съема им с вала турбины полезной мощности. В данном рабочем цикле подача воздуха в камеру сгорания турбины и съем полезной мощности с вала турбины осуществляется одним компрессором.

При работе газовой турбины в заданном скоростном режиме подача компрессором воздуха в пневмомотор постоянно по массе в единицу времени. Однако в силу легкой сжимаемости воздуха объем проходящего воздуха через пневмомотор изменяется в зависимости от давления, определяемого сопротивлением транспортного средства движению. При высоких сопротивлениях давление возрастает, объем воздуха умень- щается, частота вращения ротора пневмомо- тора снижается, скорость движения транспортного средства уменьщается. При сни- жении сопротивления, наоборот, скорость транспортного средства возрастает. Это обеспечивает работу транспортного средства в широком диапазоне скоростей, при этом скорость изменяется бесступенчато и без участия оператора.

Ограничение максимальной скорости, допускаемй й технологическими или дорожными условиями, осуществляется с помощью центробежного регулятора ведущего моста, установленного на ступице корпуса диффе

ренциала.

При падении нагрузки и достижении скорости движения транспортного средства заданного предела грузы 45 регулятора (фиг. 3) расходятся, вызывая осевое перемещение подвижного элемента 46, который через вилку 47 и ось 48 поворачивает рычаг 50 (фиг. 6), а тот в свою очередь через тягу 51 поворачивает рычаг 52 управления регулятором топливного насоса, уменьшая подачу топлива в камеру сгорания турбины. При возрастании нагрузки скорость движе- ния транспортного средства уменьшается, грузы регулятора сходятся, подвижный элемент 46 регулятора под действием упругого элемента 53 возвращается в исходное положение и связанная с ним система рычагов и тяг возвращает рычаг 52 управления по- дачей топлива также в исходное положение.

Настройка регулятора ведущего моста на заданную скорость осуществляется регулировкой предварительного натяжения уп- ругого элемента 53 (фиг. 3) перемещением его опоры 54 с помощью рычага 57, управляемого вручную с помощью тяги 58.

п 5 0

5

О 5

,-

Взаимодействие механизма автоматического ограничения заданной скорости движения транспортного средства и ручной настройки регулятора топливного насоса на заданный режим работы газовой турбины осуществляется независимо друг от друга с помощью муфты 59 (фиг. 8), жестко закрепленной на валике управления всережимным регулятором топливного насоса.

Пружина 60 поднимает муфту 59 против часовой стрелки в положение максимального скоростного режима. Поворотом рычага 66 по часовой стрелке и фиксацией его в каком- либо положении через тягу 65, рычаг 63, упор 64, штифт 61 в соответствующем положении фиксируется муфта 59 валика управления всережимным регулятором топливного насоса. При этом рычаг 52, связанный тягой 51 с регулятором ведущего моста, остается неподвижным, и штифт 61 отходит от упора 64 этого рычага.

При срабатывании регулятора ведущего моста рычаг 50 через тягу 51 также поворачивает по часовой стрелке рычаг 52. При небольшом превыщении транспортным средством заданной скорости движения поворот рычага 52 осуществляется в пределах зазора между упором 64 рычага и штифтом 61. При дальнейщем повышении скорости этот зазор выбирается и рычаг 52 через штифт 61 дополнительно поворачивает муфту 59 по часовой стрелке, переводя регулятор топливного насоса на более низкий скоростной режим работы газовой турбины. Частота турбины и компрессора снижается, подача воздуха в пневмомотор уменьщается до уровня, соответствующего заданной скорости движения транспортного средства при данной нагрузке.

При этом рычаг 63 остается неподвижным, между щтифтом 61 и упором 64 рычага 63 образуется зазор. При снижении скорости движения до заданного уровня действие регулятора ведущего моста прекращается, рычаг 52 и муфта 59 возвращаются в исходное положение, где муфта 59 фиксируется штифтом 61 на упоре 64 рычага 63, а упор 64 рычага 52 отходит от штифта 61. Турбина переходит на скоростной режим, заданный ручной настройкой.

Для остановки транспортного средства золотник 41 пневмомотора (фиг. 4, 5 и 11) поворачивают с помощью рукоятки 44 в положение, когда лыски 42 и 43 параллельны продольным воздушным каналам крышки 40, т. е. в положение, применяемое при запуске турбины. Известным способом включают тормозную систему.

Газотурбинная установка в этом случае работает по простому циклу. Работа пневмомотора 9-10-3-4 (фиг. 17) отсутствует. Сжатие воздуха компрессором осуществляется по кривой 1 -11, работа сжатия 9-10- 2-11 отсутствует. Подогрев сжатого воздуха в теплообменнике выражен отрезком 11 -

4. От теплообменника сжатый воздух поступает в крышку 40 (фиг. 3) пневмомотора, беспрепятственно проходит по продольным каналам крышки и поступает в камеру сгорания турбины.

Конструкция золотникового устройства пневмомотора обеспечивает включение движения транспортного средства как вперед, так и назад, одной рукояткой 44 поворотом ее на 90° от положения пуска турбины в одном случае по часовой стрелке, в другом случае против. При этом лыски 42 и 43 золотника 41 изменяют свое положение на противоположное, обеспечивая впуск и выпуск сжатого воздуха в пневмомоторе в одном случае применительно к прямому движению, в другом - к противоположному.

При положении золотника 41, применяемом при запуске турбины или остановке транспортного средства без остановки турбины, выпускное окно пневмомотора перекрыто золотником 41, что обеспечивает тормозное действие пневмомотора по отношению к транспортному средству за счет «мятия воздуха.

Компрессор 3 (фиг. 1), пневмомотор 4, и теплообменник 5 образуют теплосиловую передачу, обеспечивуюш.ую передачу механической энергии от вала турбины к веду- ш,ему мосту и регенерацию избыточного тепла выхлопных газов турбины, сжатия воздуха компрессором, трения подвижных элементов компрессора и пневмомотора в механическую энергию.

Тепло выхлопных газов подводится к сжатому воздуху при прохождении его через теплообменник 5. Тепло от сжатия воздуха и тепло трения механических подвижных элементов сообш.ается воздуху непосредственно при прохождении его через компрессор и пневмомотор.

Подведенное таким образом к сжатому воздуху тепло вызывает увеличение объема воздуха при рабочем давлении, которое реализуется пневмомотором при преобразовании энергии сжатого воздуха в механическую как дополнительная к энергии, передаваемой пневмомотору в виде сжатого воздуха компрессором, приводимым от вала турбины. При этом остаточное тепло отработавшего в пневмомоторе воздуха повышает его температурный уровень при поступлении в камеру сгорания турбины, снижает

затраты топлива для разогрева рабочих газов турбины до рабочей температуры.

Формула изобретения

1. Газотурбинное транспортное средство, содержаш.е.е ходовую часть с дифференциальным ведушим мостом, газовую тур.бину с вспомогательными агрегатами и механизм привода ведущего моста от газовой турбины, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД газотурбинного привода ведунгего моста, привод выполнен в виде объемной пневматической передачи, компрессор которой кинематически связан с валом турбины,

пневмомотор - с ведущим мостом, воздухопровод нагнетания от компрессора к пневмомотору оборудован теплообменником, установленным в выпускном тракте турбины, а выпускная труба пневмомотора соединена с камерой сгорания газовой турбины.

2. Транспортное средство по п. 1, отличающееся тем, что вал компрессора связан с валом турбины через понижающий редуктор съема полезной мощности, а магистраль нагнетания компрессора связана последовательно с пневмомотором теплосиловой передачи и камерой сгорания турбины.

3.Транспортное средство по п. 1, отличающееся тем, что механизм управления пневмомотором теплосиловой передачи выполнен в виде золотникового устройства

с двумя противоположно размещенными на золотнике лысками, совпадающими с каналами подвода и отвода воздуха во внутренние полости пневмомотора.

4.Транспортное средство по п. 1, отличающееся тем, что дифференциал ведущего

моста оборудован центробежным регулятором скорости, подвижный элемент которого кинематически связан с механизмом управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины.

5.Транспортное средство по п. 1, отличающееся тем, что валик всережимного регулятора топливного насоса турбины оборудован жестко закрепленной на нем муфтой с продольным штифтом и двумя проточками, на которые щарнирно насажены два рычага

с упорами, причем один рычаг кинематически связан с регулятором ведущего моста, а другой - с рукояткой ручного управления подачей топлива.

V

W

Фиг. 5

К

63

.62

Фиг,7

53

6Z

7 ,

Фиг, 12

Фиг. /

-Д

Фиг.}6

Редактор. М. Бланар Заказ 5903/22

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

фиг,17

Составитель С. Белоусько Техред И. ВересКорректор В. Гирняк

Тираж 590Подписное

Изобретение относится к тракторостроению. Цель изобретения - повысить КПД газотурбинного привода ведущего моста. Транспортное средство содержит ходовую часть с ведущим мостом 1, газовую турбину , объемный компрессор 3, объемный пневмомотор 4, теплообменник 5, топливный бак 6. От вала турбины через понижающий редуктор приводится компрессор. Под действием нагнетаемого им воздуха пневмомотор совершает полезную работу, приводя в движение транспортное средство. Перед входом в пневмомотор сжатый воздух подогревается выхлопными газами турбины. Тепловое расширение сжатого воздуха увеличивает полезную работу пневмомотора. 4 з. п. ф-лы, 17 ил. (Л СА: 05 ОО сл 13