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.
Газотурбовоз (рис. 1…3)содержит две секции 1 и 2, при этом обе секции имеют воздухозаборники 3а и 3б, соединенные между собой воздуховодами 4, в которых установлены отсечные клапаны 5. Секции 1 и 2 соединены также по газовой линии гибкими подводящим и отводящим шлангами 6 и 7, соответственно, а по линии выхлопных газов – гибким шлангом 8. Секции 1 и 2 содержат корпус 9, состоящий из боковых стенок 10 и крыши 11. Корпуса 9 установлен на платформе 12. На крыше второй секции 2 установлена выхлопная труба 13.

Внутри корпуса 9 установлены силовая установка (газотурбинный двигатель) 14, вспомогательный дизель 15, раздаточная коробка 16 и электрогенератор 17, соединенные между собой через управляемые муфты 18 соединительными валами 19. Тяговый (тяговые) привод (ы) 20 при помощи силовых кабелей 21 соединен с электрогенератором 17. Тяговый привод (ы) 20 электрическими кабелями 21 соединен с колесными парами 22. Платформа 12 обеих секций при помощи колесных пар 22 установлено на рельсах 23. Внутри воздухозаборников 3а и 3б, установлены теплообменники- охладитель 24.

Силовая установка 10 (рис. ) содержит два турбокомпрессора первый — 25 и второй -26, выполненных по биротативной схеме, т. е. без сопловых и направляющих аппаратов, с возможностью вращения в противоположные стороны. Турбокомпрессор 25, содержащий компрессор низкого давления 27 и турбину низкого давления 28. Компрессор низкого давления 27 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 29. Турбина низкого давления 28 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 30. Рабочие колеса компрессора 29 и рабочее колесо (колеса) турбины 30 соединены внутренним валом 31 первого турбокомпрессора 25. Второй турбокомпрессор 26 содержит компрессор высокого давления 32 и турбину высокого давления 33. Компрессор высокого давления 32 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 29, а турбина высокого давления 33 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 30. Рабочее колесо (колеса) компрессора 29 компрессора высокого давления 32 и рабочее колесо (колеса) турбины 30 турбины высокого давления 33 соединены внешним валом 34. Валы 31 и 34 установлены на подшипниках 35. Силовая установка 14 имеет внешний корпус 36, к которому крепится камера сгорания 37 с форсунками 38, к внешнему корпусу 36 также крепятся входное устройство при помощи ребер 39 и реактивное сопло 40 при помощи ребер 41. Перед камерой сгорания 37 установлен спрямляющий направляющий аппарат 42, а за камерой сгорания 37– сопловой аппарат 43.

Топливная система силовой установки 14 содержит топливопровод 44, в котором установлен топливный насос 45, соединенный с приводом 46. На выходе из топливного насоса 45 трубопроводом 47 подсоединен первый теплообменник-утилизатор 48, который встроен в силовую установку 14 за турбиной низкого давления 28 для испарения сжиженного природного газа и утилизации тепла. К выходу из первого теплообменника-утилизатора 48 трубопроводом 49 подключен второй теплообменник-утилизатор 50, вы-ход из которого трубопроводом 51 подключен к топливо-маслянному теплообменнику 52, выход из которого через ресивер 53 трубопроводом 54 подключен к форсункам 38 камеры сгорания 39.
При работе сначала запускают вспомогательный дизель 15, потом силовую установку 14 при помощи вспомогательного дизеля 15, выполняющего функцию стартера раскручивают один из турбокомпрессоров 25 или 26, запускают привод 46, который раскручивает топливный насос 45, топливо (сжиженный природный газ – СПГ) по топливопроводу 44 подается последовательно в теплообменники-охладители 24, первый теплообмен-ник-утилизатор 48, во второй теплообменник-утилизатор 50, в топливомаслянный тепло-обменник 52, рессивер 53 и в форсунки 38 камеры сгорания 37, где воспламеняется при помощи пирозапальника или электрозапальника (на фиг. 1…4 не показан). Продукты сгорания проходят через турбину высокого давления 33 и турбину низкого давления 28. Мощность с турбин 33 и 28 передается на компрессоры 27 и 32, которые сжимают воздух, идущий в камеру сгорания 37. Часть мощности подается на тяговый привод 20 и на ко-лесные пары 22 и создают тягу газотурбовоза (локомотива) 1 . Воздушный поток который попадает в воздухозаборники 3а и 3 б, проходит вдоль теплообменников-охладителей 24, охлаждается это улучшает работу силовой установки 14, потому, что уменьшает темпера-туру воздуха в компрессоре силовой установки и уменьшает мощность, которую компрес-сор отбирает от турбины. При обмерзании теплообменников-охладителей 24, образовавшийся лед или иней не перекрывают воздушный тракт, и хотя эффективность теплообменников-охладителей 24 уменьшается, воздух беспрепятственно поступает на вход в силовую установку 14. Ухудшение работы теплообменника-охладителя 24 компенсируется повышением теплосъема на трех других теплообменниках 47, 49 и 51. Второй теплообменник- утилизатор 50, установленный во второй секции 2 газотурбовоза может иметь очень большие габариты и вес, т. к. вторая секция 2 не имеет силовой установки 14, но повышение КПД силовой установки на 18…22 % за счет полной утилизации тепла (температура продуктов сгорания на выходе равна температуре окружающей среды) компенсирует затраты на постоянный перевозку «лишнего груза».
Применение изобретения позволило:
1. Повысить надежность газотурбовоза (локомотива) за счет:
— связи при помощи трансмиссии двух двигательных установок силовой и вспомогательного дизеля и возможности продолжения работы при отказе одного из них,
— предотвращения отрицательных последствий обмерзания теплообменника-охладителя, установленного на входе в силовую установку, за счет его установки вдоль потока входящего воздуха,
— отказа от пожаро- и взрывоопасного впрыска топлива на вход в силовую установку.
2. Повысить КПД силовой установки за счет более рациональной компоновки всех силовых установок, наличия двух каскадов компрессора и турбины у всех силовых уста-новок и регенерации тепла в четырех теплообменниках: в теплообменнике-охладителе, в первом теплообменнике-утилизаторе, во втором теплообменнике-утилизаторе и в топли-во-маслянном теплообменнике.
3. Обеспечить маневрирование газотурбовоза и его аварийную эвакуацию с приме-нением вспомогательного дизеля.
4. Значительно улучшить тяговые и весовые характеристики и уменьшить осевой габарит силовой установки локомотива счет применения биротативной схемы.
5. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора силовой установки без раскручивания другого ротора.
6. Облегчить условия работы роторов основных силовых установок за счет возможности их взаимного проскальзывания одного из двух роторов и их работы на различающихся частотах вращения.
7. Уменьшить вес и габариты силовой установки, особенно осевые габариты, что важно для газотурбовоза при размещении силовой установки в ограниченном пространстве, за счет применения биротативной схемы.
8. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов основной силовой установки без применения редуктора.

Автор статьи: Патентный поверенный РФ Болотин Николай Борисович