реактивный газотурбинный локомотив

Формула изобретения

Реактивный газотурбинный локомотив, содержащий кузов, ходовую часть, емкости для сжиженного природного газа, емкость для керосина, тормозную систему с источником сжатого воздуха, воздушными резервуарами, трубопроводами, обратными клапанами, тормозными колодками, а также тяговую систему, включающую в себя не менее чем один реактивный газотурбинный двигатель с воздухозаборником, воздухоочистителем, системой запуска, системой автоматического регулирования, системой подачи топлива в двухтопливную камеру сгорания, элементами шумоглушения, системой отбора воздуха из компрессора двигателя, выходным устройством с плоским реактивным соплом, эжектором и створчатым реверсом тяги, отличающийся тем, что реактивный газотурбинный двигатель выполнен двухконтурным турбореактивным со степенью двухконтурности в диапазоне 5...10, сечение среза его плоского сопла выполнено с отношением ширины к высоте не более 0,25...0,55, емкости для сжиженного природного газа установлены внутри или снаружи кузова локомотива, тормозная система состоит из реактивной части, образованной реверсом тяги и воздушными резервуарами, и стояночной части колодочного типа, створки реверсора тяги в нерабочем положении установлены за наружной поверхностью эжектора, а ось поворота створок реверсора в рабочее положение перпендикулярна оси двигателя в вертикальной плоскости, воздушные резервуары соединены с системой отбора воздуха из компрессора двигателя, снабжены рабочими клапанами и тормозными реактивными соплами, а трубопровод тормозной системы выполнен с возможностью подсоединения к воздушной магистрали тормозной системы поезда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано в пассажирских и грузовых поездах.

Известно устройство газотурбинного локомотива, в котором тяговая система включает газотурбинный двигатель, снабженный входным и выходным устройствами, системами запуска и автоматического регулирования, соединенный через редуктор с тяговыми генераторами, а крутящий момент для создания силы тяги при взаимодействии колес с рельсами передается на ведущие оси тележек от тяговых электродвигателей. Тормозная система колодочного типа подключена к воздушному компрессору как источнику сжатого воздуха, причем привод этого компрессора от электродвигателя. Тормозная сила создается взаимодействием тормозных колодок с поверхностью катания колес [1].

К недостаткам известного устройства относятся сложность конструкции и недостаточная надежность тяговой системы, сложность конструкции тормозной системы колодочного типа и низкая надежность тормозной системы.

Известно устройство газотурбинного локомотива, в котором тяговая система включает газотурбинный двигатель с механической или электрической передачей мощности на оси ведущих колес для создания силы тяги путем взаимодействия колес и рельсов. Тормозная система локомотива колодочного типа создает тормозную силу взаимодействием тормозных колодок и колес по поверхности катания [2].

К недостаткам известного устройства относятся сложность конструкции и недостаточная надежность тяговой системы и тормозной системы вследствие необходимости взаимодействия колес и рельсов, тормозных колодок и колес для создания силы тяги и тормозной силы.

Известно устройство реактивного газотурбинного локомотива, в котором тяговая система включает два газотурбинных турбореактивных двигателя, установленных на крыше кузова для создания силы тяги. Кузов установлен на тележки, оснащенные элементами тормозной системы колодочного типа [3].

К недостаткам известного устройства относится большой шум вследствие большой скорости истечения реактивной струи из реактивного сопла, сложность конструкции и недостаточная надежность тормозной системы колодочного типа. Данное техническое решение выбрано автором в качестве прототипа.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и одновременно повышение надежности тяговой и тормозной систем благодаря исключению контактного силового взаимодействия колес с рельсами, тормозных колодок с колесами, исключению рычагов и агрегатов тормозного оборудования, снижению шума благодаря уменьшению скорости истечения реактивной струи и применению элементов шумоглушения.

Технический результат достигается тем, что установленный на локомотиве газотурбинный двигатель выполнен двухконтурным турбореактивным с высоким значением степени двухконтурности (отношение расхода воздуха через наружный контур к расходу воздуха через внутренний контур двигателя) в диапазоне 5... 10. Это позволяет при работе на керосине или дизельном топливе уменьшить удельный расход топлива

вместо

у турбореактивных двигателей. При силе тяги R, необходимой для движения, уменьшается часовой расход топлива, равный произведению С_уд· R, и, следовательно, расход топлива на 1 км пути. Газотурбинный двигатель позволяет работать как на обычном жидком углеводородном топливе (керосин, дизельное топливо), так и на газовом топливе (пропан, природный газ) одновременно или раздельно, что обеспечивает двухтопливная система подачи топлива в двухтопливную камеру сгорания и агрегаты системы регулирования двигателя. При работе на сжиженном природном газе, что предпочтительнее, чем на пропане, ввиду широкой распространенности природного газа и больших его природных запасов, дополнительное уменьшение расхода топлива составляет, с учетом потерь энергии на его газификацию пред подачей в камеру сгорания, еще 13... 14%. Сжиженный природный газ является криогенным веществом (температура кипения равна - 161° С), и емкости для его хранения на борту локомотива имеют специальную термоизолированную конструкцию. В связи с этим, для обеспечения их сохранности и повышения безопасности движения, указанные емкости (баки) установлены внутри кузова либо на крыше локомотива.

Высокое значение степени двухконтурности газотурбинного двигателя позволяет уменьшить скорость истечения газовоздушной струи из реактивного сопла, что уменьшает шум, излучаемый в окружающую среду. Дополнительное уменьшение шума достигнуто выполнением в выходном устройстве плоского реактивного сопла, у которого в сечении среза отношение ширины “В” к высоте “Н” составляет В/Н 0,25... 0,55. Такое сопло, у которого высота существенно больше ширины, снижает шум, излучаемый в направлении, перпендикулярном боковым стенкам сопла, т.е. в обе стороны от локомотива, а также в кабину машиниста (сопло аналогично соплу типа вертикальный “рыбий хвост”). Применение в выходном устройстве эжектора вокруг плоского сопла, учитывая невысокую степень эжекции воздуха из-за малой величины полного давления на срезе реактивного сопла (1,2... 1,5 кгс/см²), позволяет только на 3... 5% увеличить расход рабочего тела и эквивалентно этой величине повысить тягу и снизить шум благодаря некоторому дополнительному снижению скорости струи на срезе эжектора. Прирост обратной тяги также обеспечен работой эжектора при установке створок реверсора тяги в рабочее положение, когда струя за срезом эжектора повернута и направлена вперед. Поэтому в нерабочем положении створки реверсора тяги установлены за наружной поверхностью эжектора, а ось поворота створок в рабочее положение перпендикулярна оси газотурбинного двигателя в вертикальной плоскости.

Смешение потоков воздуха наружного контура и газа внутреннего контура перед выходным устройством уменьшает температуру реактивной струи на срезе реактивного сопла до 55° С... 75° С, а эжектор дополнительно понижает ее до 45° C... 65° C. Система отбора воздуха высокого давления из компрессора двигателя соединена с тормозной системой, которая состоит из реактивной части колодочного типа. Реактивная часть образована реверсором тяги и воздушными резервуарами, соединенными с системой отбора воздуха и снабженными тормозными реактивными соплами. Из тормозных реактивных сопел, например, с плоским сечением на срезе струя истекает вперед, создавая тормозную силу.

Реактивная часть тормозной системы обеспечивает полную остановку локомотива от реализуемой скорости движения, а стояночная часть обеспечивает удержание его на месте. Такое торможение исключает необходимость взаимодействия тормозных колодок и колес для создания тормозной силы, устраняет возможность возникновения неисправностей колес, тормозного оборудования и рельсового пути.

На фиг.1 - общий вид реактивного газотурбинного локомотива; на фиг.2 - схематический продольный разрез двухвального двухконтурного турбореактивного газотурбинного двигателя, установленного на раме; на фиг.3 - плоское реактивное сопло выходного устройства с эжектором и створками реверсора тяги, установленными в рабочее положение для создания обратной тяги (пунктиром - створки реверсора тяги в нерабочем положении).

Локомотив имеет раму 1 с кузовом 2, тележки 3, стояночные колодочные тормоза 4, двухконтурный турбореактивный газотурбинный двигатель 5 на раме 6, керосиновый топливный бак 7 с системой подачи 8, воздушные резервуары 9 с тормозными реактивными соплами 10 и рабочими клапанами 11, топливные баки 12 для сжиженного природного газа с системой подачи 13 газового топлива, входной канал 14 с воздухозаборником 15 и воздухоочистительное устройство 16, элементы шумоглушения 17, выходное устройство 18 с плоским реактивным соплом 19, реверсором тяги 20, эжектором 21, систему 22 отбора воздуха из компрессора с обратными клапанами 23 и трубопроводом 24, аэродинамический обтекатель 25.

Двухконтурный турбореактивный газотурбинный двигатель содержит малошумный вентилятор 26, канал наружного контура 27, компрессор внутреннего контура 28, двухтопливную камеру сгорания 29, турбину 30, теплообменник-газификатор 31 сжиженного природного газа, смеситель 32, агрегаты системы подачи газового топлива 33, агрегаты системы запуска 34, агрегаты системы автоматического регулирования 35, опоры 36 и 37, узлы крепления 38, рычаги 39, цапфы 40, створки 41.

Движение локомотива, работа двигателя и тормозной системы происходят следующим образом.

Воздух из атмосферы (фиг.1) поступает в воздухозаборник 15 и входной канал 14, где очищается от пыли и мелких посторонних предметов воздухоочистительным устройством 16, причем шум, генерируемый движением воздуха в канале 14, поглощается элементами 17 в виде звукопоглощающих конструкций (панелей). Далее воздух (фиг.1, продолжение 1) поступает в двигатель 5, который запускается с помощью агрегатов 34 системы запуска. Малошумный вентилятор 26 при вращении (фиг.2) повышает полное давление воздушного потока. За вентилятором 26 поток воздуха разделяется на две части. Одна часть поступает в канал 27 наружного контура с элементами шумоглушения 17, а вторая часть поступает в компрессор 28 внутреннего контура, где происходит дальнейшее повышение полного давления этой части воздуха. Отношение расходов воздуха наружного и внутреннего контуров представляет собой степень двухконтурности двигателя, например, в диапазоне 5... 10. Из компрессора 28 воздух поступает в двухтопливную камеру сгорания 29, а также в систему 22 отбора воздуха из компрессора 28 в тормозную систему. В двухтопливную камеру сгорания 29 системой подачи 8 подается керосин или дизельное топливо из керосинового бака 7. Одновременно система подачи 13 обеспечивает через агрегаты 33 подачу сжиженного природного газа из баков 12 через теплообменник-газификатор 31 в камеру сгорания 29 (подача керосина затем может быть выключена). При сгорании топлива образуются продукты сгорания с высокой температурой, которые поступают в турбину 30, приводящую во вращение вентилятор 26 и компрессор 28. Горячий газ из турбины 30 обтекает поверхность теплообменника-газификатора 31, благодаря чему сжиженный природный газ газифицируется. После этого поток рабочего тела из внутреннего контура смешивается с воздухом из канала 27 наружного контура смесителем 32, и общий поток выхлопных газов (фиг.1, продолжение 2) поступает выходное устройство 18 с элементами шумоглушения 17 и далее в плоское реактивное сопло 19. Такое сопло, у которого отношение ширины к высоте не более 0,25... 0,55, уменьшает шум, излучаемый по обе стороны от локомотива. Истечение струи из сопла 19 создает реактивную силу тяги, которая воспринимается деталями двигателя 5 и через опоры 36 и 37, раму 6 двигателя 5, узлы 38 крепления рамы 6 к раме 1 и раму 1 локомотива передается на оси колесных пар тележек 3. В результате происходит качение колес по рельсам и движение локомотива вперед. Колеса и рельсы воспринимают силу веса локомотива и момент силы тяги относительно центра тяжести, а их силовое взаимодействие через силу трения в контакте для создания силы тяги оказывается исключенным. Агрегаты 35 системы автоматического регулирования позволяют увеличить или уменьшить подачу топлива в камеру сгорания 29 и, тем самым, изменить частоты вращения вентилятора 26 и компрессора 28, изменить расход воздуха через двигатель 5 и изменить силу тяги. При увеличении расхода топлива и росте силы тяги происходит увеличение скорости движения локомотива вперед. При этом (фиг.3) створки 41 реверсора тяги 20 рычагами 39 повернуты вокруг цапф 40 и находятся в нерабочем положении за наружной поверхностью эжектора 21, через который подсасывается некоторое количество воздуха из атмосферы, что снижает шум струи и увеличивает силу тяги. Установка аэродинамического обтекателя 25 уменьшает сопротивление движению и потребную для движения силу тяги, а также защищает бак 12 сжиженного природного газа, размещенный на крыше кузова 2, от возможных повреждений.

Для торможения локомотива от реализуемой скорости V до полной остановки (V=0) створки 41 реверсора тяги 20 рычагами 39 переводятся в рабочее положение под углом к оси струи из сопла 19. Поток выхлопных газов оказывается повернутым и направленным вперед практически под углом , что позволяет получить обратную силу тяги, равную

R _обр=-R_прям· cos ,

где R_прям - сила тяги двигателя в режиме “прямой тяги”.

Величина R_прям определяется выражением

где - секундные расходы воздуха через наружный и внутренний контуры двигателя, кг/сек;

- секундный расход топлива через камеру сгорания, кг/сек;

- секундный отбор воздуха из компрессора, кг/сек;

W _с - скорость истечения струи из реактивного сопла, м/с;

V - скорость движения локомотива, м/с;

g=9,81 м/сек ² - ускорение силы тяжести.

В результате основная часть тормозной силы равна

Х_осн=R_обр +X_{аэр. сопр.}, кгс,

где Х_{аэр. сопр.} - сила аэродинамического сопротивления.

Для создания дополнительной тормозной силы Х_доп из компрессора 28 системой 22 отбирается воздух в количестве G_{В отб} и через обратные клапаны 23 подается в воздушные резервуары 9, откуда он истекает через открытые рабочие клапаны 11 и тормозные реактивные сопла 10.

где W_трс - скорость истечения воздуха из тормозных реактивных сопел, м/с.

Общая тормозная сила локомотива равна

Удержание локомотива на месте после полной остановки обеспечивают стояночные тормоза 4 колодочного типа.

Задний ход локомотива после остановки обеспечивают реверсор тяги 20 и тормозные реактивные сопла 10.

Применение реактивного газотурбинного локомотива, с учетом потерь энергии на входе и выходе из двигателя, позволяет в 2,2... 2,3 раза уменьшить расход топлива, снизить уровень шума, исключить взаимодействие колес, рельсов и тормозного оборудования при создании силы тяги и тормозной силы, что повышает безопасность движения.

Источники информации

1. Шнеэ Я.И. Газовые турбины. - М.: Машгиз, 1960. – 506 с. (на с.496-503).

2. Фельдман Э.Д. Сравнительная технико-экономическая эффективность автономных видов тяги / Труды ВНИИЖТ, вып.333. - М.: Транспорт, 1967. – 179 с.

3. Ермишкин И.С., Юхневский А.А. Создание вагонов для скоростных поездов // Железнодорожный транспорт. - 2002. - №7. - С.59-63 (прототип).