Патент на изобретение №2319024

(54) СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ГАЗОТУРБОВОЗА

(57) Реферат:

Силовая установка газотурбовоза содержит газотурбинный двигатель, на выходе из которого установлена свободная турбина, на выходе из которой установлено выхлопное устройство. Газотурбинный двигатель и свободная турбина установлены на раме в контейнере, имеющем систему охлаждения, совмещенную с системой регулирования радиальных зазоров в газотурбинном двигателе и/или в свободной турбине, и с системой пожаротушения. Изобретение направлено на улучшение запуска и повышение экономичности. 12 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может применяться в качестве силовой установки газотурбовоза, т.е локомотива, созданного на базе газотурбинного двигателя.

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 №212418, 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 его 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 трансмиссиию.

Известна газотурбинная силовая установка по патенту РФ на изобретение №2189477, прототип, которая содержит модули газогенератора, газотурбинного привода и выхлопа, соединенные между собой.

Недостатки: низкий уровень безопасности вследствие отсутствия системы пожаротушения, мероприятий по снижению уровня шума, вибраций, высокая температура поверхности установки, плохие эргономические свойства, неудобство в эксплуатации, возможность повреждения при транспортировке изделия к месту эксплуатации.

Задачи создания изобретения – обеспечение безопасности обслуживания силовой установки, снижение шума и вибраций.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что силовая установка газотурбовоза, содержащая, газотурбинный двигатель, на выходе из которого установлена свободная турбина, на выходе из которой установлено выхлопное устройство, отличается тем, что газотурбинный двигатель и свободная турбина установлены на раме в контейнере, имеющем систему охлаждения, совмещенную с системой регулирования радиальных зазоров в газотурбинном двигателе и/или в свободной турбине и с системой пожаротушения. Контейнер выполнен из двух частей и имеет продольный разъем и люки для осмотра и замены агрегатов, а рама прикреплена к нижней части контейнера. Силовая установка содержит систему охлаждения масла с масловоздушным теплообменником. Электрогенератор может быть расположен на входе в газотурбинный двигатель или на выходе из силовой турбины. Контейнер выполнен из двух частей: верхней и нижней, передняя часть рамы жестко прикреплена к нижней части контейнера, а задняя – к прикреплена с возможностью осевого перемещения. Контейнер облицован внутри и/или снаружи теплозвукоизоляционным материалом. 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 машиностроении.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…14, 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…6 приведена схема охлаждения масла,

на фиг.7 приведена турбина и свободная турбина с расположением электрогенератора на выходе из свободной турбины,

на фиг.8 приведена схема турбины и свободной турбины с расположением электрогенератора на входе в ГТД,

на фиг.9 приведена схема компрессора с расположением электрогенератора на входе в ГТД,

на фиг.10 и 11 приведена конструкция контейнера,

на фиг.12 приведена схема силовой установки газотурбовоза с перепуском из-за турбины высокого давления,

на фиг.13 приведена схема силовой установки газотурбовоза с перепуском из-за турбины высокого давления и из-за турбины среднего давления,

на фиг.14 приведена схема силовой установки газотурбовоза с перепуском из-за турбин высокого давления, среднего давления и низкого давления,

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит 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 установлено выхлопное устройство 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 газутурбовоза 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. ГТД 1 установлен в контейнере 31 на раме 33. Передняя часть рамы 33₁ жестко прикреплена к нижней части контейнера, а задняя часть 33₂ закреплена с возможностью осевого перемещения для компенсации температурных расширений.

Предусмотрена система охлаждения внешнего корпуса 30 и корпуса свободной турбины 4, совмещенная с системой регулирования радиальных зазоров и с системой пожаротушения (фиг.2).

Оригинальной особенностью силовой установки является то, что она оборудована системой охлаждения ГТД 1 и свободной турбины 2, совмещенной с системой регулирования радиальных зазоров и пожаротушения. Все эти системы имеют выход охлаждающего воздуха и инертного газа, применяемого при тушении очага возгорания внутрь контейнера Эта система содержит систему подачи охлаждающего воздуха 34, систему сброса воздуха 35 и датчик температуры воздуха 36, соединенный электрической связью с блоком управления 29. (фиг.2). Система подачи охлаждающего воздуха 34 содержит кольцевой коллектор 37 с отверстиями «Б». К полости за первой ступенью первого каскада компрессора подключен трубопровод отбора воздуха 38 с регулятором расхода воздуха 39, к выходу которого подключен трубопровод 40, соединяющий этот регулятор с кольцевым коллектором 37. Кольцевой коллектор имеет отверстия «Б» по всей окружности для обеспечения равномерного охлаждения корпуса ГТЛ 1 и свободной турбины 2, для равномерного регулирования радиальными зазорами в ГТД 1 и в свободной турбине между торцами лопаток компрессора и турбины и корпусами ГТД и свободной турбины. К кольцевому коллектору 38 подключена система пожаротушения 41, представляющая собой трубопровод подачи инертного газа и противопожарный клапан. (Противопожарный клапан на фиг.1…14 не показан). Противопожарная система также содержит внутри контейнера датчики пожара (на фиг.1…14 они также не показаны).

Совмещение функций трех важных систем позволяет не только уменьшить количество деталей и узлов, например использовать один кольцевой коллектор вместо трех, но и упростить систему и повысить ее надежность. Также это позволит уменьшить вес силовой установки и ее себестоимость при изготовлении. Кроме того, улучшится и упростится управление и обслуживание силовой установки и при эксплуатации и в ремонте. Регулирование радиальных зазоров позволит увеличить КПД силовой установки на 2…3% на всех режимах.

Кроме того, применение регулятора расхода воздуха 39 позволит корректировать летний и зимний режим работы силовой установки, например при эксплуатации силовой установки при отрицательных температурах расход отбираемого воздуха можно уменьшить в несколько раз, это позволит дополнительно повысить КПД установки на 2,2…2,7% по расчетам. Это объясняется тем, что необходимость в охлаждении корпуса ГТД практически отпадает, а для уменьшения радиального зазора необходимо меньше воздуха, а уменьшение отбора воздуха из-за промежуточных ступеней компрессора увеличивает расход продуктов сгорания через турбину и свободную турбину и, как следствие, КПД установки.

Внутренняя или внешняя поверхности контейнера должны быть покрыты теплозвукоизолирующим материалом, например асбестом или минеральной ватой. При этом следует использовать негорючие материалы.

Применение этих мероприятий позволит:

– уменьшить шум,

– снизить температуру поверхности контейнера и уменьшить расход воздуха, отбираемого для охлаждения ГТД и свободной турбины,

– обеспечить пожаробезопасность силовой установки.

Кроме того, контейнер предохраняет от повреждений и атмосферных осадков силовую установку газобурбовоза при ее транспортировке с завода-изготовителя к месту монтажа на локомотив для эксплуатации. Рама крепится своей передней частью к нижней части контейнера жестко, при этом поворот или перемещение передней точки крепления недопустимо, т.к. это приведет к отклонению вектора тяги выхлопного устройства, перекосу валов ГТД и свободной турбины, что отрицательно скажется на работе муфты. Задняя часть рамы должна крепиться с возможностью осевого перемещения для компенсации температурного расширения деталей ГТД, в первую очередь, корпуса.

Компрессор (фиг.3) содержит направляющие аппараты первой ступени компрессора 42, рабочие колеса 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, которые, 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…6) и 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.

Система охлаждения масла может быть оборудована заслонкой воздуха 63, установленной перед вентилятором 61 (фиг.5).

Если в качестве топлива для ГТД 1 применен сжиженный природный газ СПГ, то может быть применен топливовоздушный теплообменник 64, установленный перед вентилятором 61 (фиг.6).

Турбина ГТД (фиг.7) содержит сопловой аппарат турбины высокого давления 65, рабочее колесо первой ступени турбины 66, установленное на диске турбины 67, сопловой аппарат турбины среднего давления 68, рабочее колесо турбины среднего давления 69, установленные на дисках турбин среднего давления 70, сопловой аппарат турбины низкого давления 71, рабочие колесо (колеса) турбины низкого давления 72, установленные на дисках турбины низкого давления 73, заднюю опору 74.

Свободная турбина 2 содержит одно или несколько рабочих колес свободной турбины 74 с диском (дисками) 27, которое (которые) установлены на валу свободной турбины 76, соединенном с валом электрогенератора 77 (фиг.9).

Контейнер 31 (фиг.10 и 11) предпочтительно выполнить из двух частей: верхней 78 и нижней 79 со стыком «Г».

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.12) содержит обводной канал 80, который соединяет выход из турбины среднего давления с выходом из свободной турбины 2. Этот обводной канал содержит регулятор расхода высокого давления 81 с приводом 82.

Обводной канал среднего давления 83 (фиг.13) соединяет выход из турбины среднего давления с выходом их свободной турбины 2. В линии этого обводного канала установлен регулятор среднего давления 84 с приводом 85.

Обводной канал низкого давления 86 (фиг.14) соединяет выход турбины низкого давления 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 достигнут рабочих, что контролируют датчик оборотов 28, блок управления 29 подает сигнал на приводы один или два или три привода 82, 85 и 88, клапаны 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 возможность 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 тоже уменьшается, (это видно на примере регулирования радиального зазора в компрессоре фиг.7).

Применение изобретения позволило:

1. Облегчить (ускорить) запуск силовой установки газотурбовоза.

2. Повысить надежность силовой установки.

3. Улучшить экономичность установки.

4. Обеспечить безопасность работ.

5. Создать условия для транспортировки.

6. Обеспечить ремонтопригодность.

Формула изобретения

1. Силовая установка газотурбовоза, содержащая газотурбинный двигатель, на выходе из которого установлена свободная турбина, на выходе из которой установлено выхлопное устройство, отличающаяся тем, что газотурбинный двигатель и свободная турбина установлены на раме в контейнере, имеющем систему охлаждения, совмещенную с системой регулирования радиальных зазоров в газотурбинном двигателе и/или в свободной турбине и с системой пожаротушения.

2. Силовая установка газотурбовоза по п.1, отличающаяся тем, что контейнер выполнен из двух частей и имеет продольный разъем и люки для осмотра и замены агрегатов, а рама прикреплена к нижней части контейнера.

3. Силовая установка газотурбовоза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что контейнер облицован внутри и/или снаружи теплозвукоизоляционным материалом.

4. Силовая установка газотурбовоза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что передняя часть рамы прикреплена к нижней части контейнера жестко, а задняя – с возможностью осевого перемещения.

5. Силовая установка газотурбовоза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит систему охлаждения масла с масловоздушным теплообменником.

6. Силовая установка газотурбовоза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что электрогенератор расположен на входе в газотурбинный двигатель.

7. Силовая установка газотурбовоза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что электрогенератор расположен на выходе из силовой турбины.

8. Силовая установка газотурбовоза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она выполнена модульной конструкции.

9. Силовая установка газотурбовоза по п.3, отличающаяся тем, что она выполнена модульной конструкции.

10. Силовая установка газотурбовоза по п.4, отличающаяся тем, что она выполнена модульной конструкции.

11. Силовая установка газотурбовоза по п.5, отличающаяся тем, что она выполнена модульной конструкции.

12. Силовая установка газотурбовоза по п.6, отличающаяся тем, что она выполнена модульной конструкции.

13. Силовая установка газотурбовоза по п.7, отличающаяся тем, что она выполнена модульной конструкции.

РИСУНКИ