用于机车的涡轮机装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及以液化天然气运行的机车气体涡轮发动机。气体涡轮机装置包括三个压力轴。高压轴布置在低压轴和中压轴的上方。具有入口管道的低压压缩机安装在低压轴上并且通过轴连接至低压涡轮机并且通过利用通道的气体连接件而连接至中压涡轮机；中压涡轮机安装在中压轴上并且通过轴连接至第一同步牵引发电机并且通过通道连接至中间燃烧室；高压压缩机安装在高压轴上并且通过轴连接至高压涡轮机且通过通道连接至主燃烧室。低压压缩机装配有由单元驱动的旋转引导叶片，旁通阀安装在交互冷却器上，通过通道连接至高压涡轮机的主燃烧室位于再生热交换器中，高压压缩机通过轴和减速齿轮连接至启动器，并且高压涡轮机通过轴连接至第二同步牵引发电机，以使气体涡轮机装置能够在没有负载下和在仅来自高压阀的轻负载下运行。本发明的技术结果是显著地降低气体涡轮机装置在没有负载或轻负载下的燃料消耗，以及消除了对于机车上的辅助柴油发动机的需要。
【专利说明】用于机车的涡轮机装置
【技术领域】
[0001]本发明大体涉及用于轨道运输的发动机，特别地涉及以液化天然气、气体涡轮燃料以及重等级的油燃料运行的机车气体涡轮发动机，并且具体地涉及气体涡轮装置的轴之间以及气体涡轮装置与机车的异步牵引发动机之间的功率传递。
【背景技术】
[0002]用于气体涡轮发动机机车-货运Gl类型和客运GPl类型-的气体涡轮发动机GT3, 5是已知的，其包括12级轴向流压缩机、6区段燃烧室、4级轴向流涡轮机，并且通过减速齿轮连接至三个牵引DC发电机。由于低的气体功率循环参数，该发动机的效率是18.3%(参见:Voronkov L.A., Zarhe S.Μ.,等的“Domestic Gas-Turbine Engine Locomotive (家用气体润轮发动机机车)”(俄罗斯)，Machinostroyenie出版社,莫斯科,1971, p45_52)。
[0003]由于简单的单轴构造(这对于该发动机是不利的)的使用，在没有负载下的燃料消耗是在满功率下的燃料消耗的0.35。在发动机操作过程中空载的分时(time share)是
0.45 - 0.52，这导致与柴油机车相比用于运输操作措施的特定燃料消耗增加2.5倍。此外，该气体涡轮发动机机车装配有设置成用于启动气体涡轮发动机和实现转轨(shunting)操作目的辅助柴油发动机。
[0004]用于气体涡轮发动机机车的气体涡轮发动机NK-361是已知的，其根据具有自由功率涡轮机的双轴构造而制成。这种构造的使用使得能够提高循环气体功率参数并且以25.3%的等级实现发动机效率(参见:“The first gas-turbine engine locomotive in theworld that runs on liquefied natural gas (世界上第一部以液化天然气运行的气体润轮发动机机车)”(俄罗斯)“AutoGazComplex” 杂志 N0.3 (45)，2009)。
[0005]该发动机是不利的，因为现代柴油发电机机车在没有负载下的燃料消耗是在满功率下的0.015，而该发动机的空载燃料消耗与满功率燃料消耗相比保持在0.268的等级。此夕卜，该气体涡轮发动机机车装配有设置成用于启动气体涡轮发动机和实现转轨操作目的辅助柴油发动机。
[0006]已知其中气体涡轮发动机根据具有自由能量涡轮机的双轴构造来制造的机车功率单元。该气体涡轮发动机包括由通过气体路径与低压自由功率涡轮机连接的中高压涡轮机驱动的低高压压缩机。本发明的实质是改进功率单元的启动并且增加其成本效率(俄罗斯专利 N0.2308383 C I, IPCB60K5/00，2007)。
[0007]该构造具有与先前构造相同的缺点，S卩，高的空载燃料消耗以及设置在气体涡轮发动机机车中的辅助柴油发电机的存在。
[0008]根据具有自由中压涡轮机的构造制造的被当作原型的用于机车的气体涡轮机功率单元是已知的。为了提高该功率单元的效率，该构造在压缩机之间提供空气冷却并且通过利用来自低压涡轮机的废气而在燃烧室之前加热压缩空气。功率单元制成两个低高压发动机并且具有再发生器中的空气的中间冷却与加热。高压发动机布置在低压发动机的上方。第二燃烧室设置在高压涡轮机与中压涡轮机之间。功率单元的该构造使得能够实现42- 45% 等级的效率(美国专利 N0.3457877 (A), IPCB61C5/00,1969)。
[0009]该气体涡轮机功率单元的缺点在于没有负载下的燃料消耗仍保持是高的，等于满功率下的燃料消耗的0.15，这相比于柴油机车大100倍。低负载下的燃料消耗也保持是高的，并且辅助柴油发电机设置为在没有操作人员的情况下移动气体涡轮发动机机车并且对辅助负载供应电能，这需要用于安装的空间、机车中的第二燃料的可得性以及用于维护的额外花费。
【发明内容】
[0010]本发明的技术效果是:显著降低了在没有负载或在低气体涡轮机装置负载下的燃料消耗，这显著降低了用于运输操作措施的特定燃料消耗并且使其更接近柴油机车的性能；由于使用提出的气体涡轮机装置而消除了辅助柴油发电机或高容量累积器。所有这些使得能够减小机车的尺寸、重量、轴负载以及操作花费。
[0011]所述技术效果由于机车气体涡轮机装置包括三个压力轴的事实而实现，其中高压轴布置在低压与中压轴的上方；低压轴设置有低压压缩机，该低压压缩机具有入口适配件并且通过轴连接至低压涡轮机且通过气体连接件连接至中压涡轮机；中压轴设置有中压涡轮机，该中压涡轮机通过轴连接至第一同步牵引发电机并且通过通道连接至中间燃烧室；高压轴设置有高压压缩机，该高压压缩机通过轴连接至高压涡轮机并且通过通道连接至主燃烧室；中间冷却器布置在低压压缩机与高压压缩机之间并且通过通道连接至这些压缩机；再生热交换器布置在高压压缩机与高压涡轮机之间并且设置有排气适配件且通过通道连接至低压涡轮机和高压压缩机，所述热交换器设置有用于加热燃料的热交换器；低压压缩机设置有由滑轮驱动的旋转入口引导设备；旁通阀安装在中间冷却器上；主燃烧室布置在通过通道连接至高压涡轮机的再生热交换器中；高压压缩机通过轴和减速齿轮连接至启动器；并且高压涡轮机通过轴连接至第二同步牵引发动机，以使气体涡轮机装置能够在没有负载下或者在仅来自高压轴的低负载下操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1示出了提出的用于机车的气体涡轮机装置的构造；图2、图3示出了安装在摆动件上的同步牵引发电机与异步牵引发动机之间的连接的单个图示；图4示出了气体涡轮机装置效率如何根据从单元获取的相对功率而改变。
【具体实施方式】
[0013]用于机车的气体涡轮装置(图1)包括三个压力轴，它们中的一个布置在其他两个的上方。低压轴I与中压轴2共轴布置并且布置在高压轴3的下方。低压轴I包括低压压缩机4，低压压缩机具有入口适配件5和由滑轮(block) 7驱动的旋转入口引导设备6。低压压缩机4通过轴8连接至低压涡轮机9并且通过经由通道10的气体连接件连接至中压涡轮机11。中压轴2包括通过轴12连接至第一同步牵引发电机13并且通过通道14连接至中间燃烧室15的中压涡轮机11。高压轴3包括高压压缩机16，该高压压缩机通过轴17连接至高压涡轮机18、通过轴19连接至第二同步牵引发电机20、通过轴21和减速齿轮(未示出)连接至启动器22。高压涡轮机18通过通道23连接至中间燃烧室15，该中间燃烧室通过通道14连接至中压涡轮机11。具有旁通阀25的中间冷却器24布置在低压压缩机4与高压压缩机16之间。低压压缩机4通过通道26连接至中间冷却器24，并且冷却器24通过通道27连接至高压压缩机16。再生热交换器28与布置于其中的燃烧室29和用于燃料加热的热交换器30 —起布置在高压压缩机16与高压涡轮机18之间。燃烧室29通过通道31连接至高压涡轮机18。高压压缩机16通过通道32连接至再生热交换器28。气体涡轮机装置设置有微处理器装置(未示出)，该微处理器装置控制启动气体涡轮机装置、将负载施加给同步牵引发电机13和20、通过作用在燃料计量装置33和34上而将燃料供给燃烧室15和29的过程，并且如果必要的话通过以下方式关闭低压轴1:通过滑轮7关闭入口引导设备6并且通过将旁通阀25打开到中间冷却器24中而将进气口从共用进气室(未示出)打开到高压压缩机16中。低压涡轮机9通过通道35连接至具有安装于其上的排气适配件36的再生热交换器28。同步牵引发电机13和20可不同地连接至机车的异步牵引发动机。
[0014]第二同步牵引发电机20通过受控的整流器38连接至具有一组异步牵弓I发动机的一个摆动件(b00gie)37，并且第一同步牵引发电机13通过受控的整流器42 (图2)连接至具有第二组异步牵引发动机的摆动件39、40、41，或者同步牵引发电机20和13可通过共用的受控整流器43 (图3)连接至具有所有异步牵引发动机的摆动件37、39、40、41。在其中仅有高压轴操作的模式中，第二同步牵引发电机20可通过其受控的整流器38连接至具有所述异步牵引发动机的组的一个摆动件37，或者第二同步牵引发电机可通过共用的受控整流器43连接(未示出)至具有所有异步牵引发动机的摆动件37、39、40、41。
[0015]气体涡轮机装置操作室可如下操作。从空气吸入室获取的带有灰尘的环境空气滤过适配件5、在穿过旋转入口引导设备6之后进入低压压缩机4 (所述空气在此被压缩)、并且然后穿过通道26到达中间冷却器24，所述空气在该中间冷却器处被来自由低压压缩机4的轴驱动的风扇(未示出)的环境空气冷却。该压缩且冷却的空气穿过通道27进入高压压缩机16(所述空气在此被进一步压缩)，并且然后穿过通道32到达再生热交换器28，所述空气在该再生热交换器处受低压涡轮机9的通过通道35到达再生热交换器28的排气气体加热。然后，加热后的空气进入燃烧室29，燃料在该燃烧室处通过燃料计量装置34而受力到达喷嘴，并且在燃烧之后其形成具有预定温度的气体-空气混合物，该混合物通过通道31到达高压涡轮机18。从高压涡轮机获得的功率用于驱动高压压缩机16并且用于通过第二同步牵引发电机20而产生能量。来自高压涡轮机18的气体-空气混合物穿过通道到达中间燃烧室15，燃料在该中间燃烧室通过燃料计量装置33而供应至喷嘴，并且在燃烧之后形成具有预定温度的气体-空气混合物，该混合物穿过通道14到达中间压力涡轮机(功率涡轮机)11，该输出功率用于驱动第一同步牵引发电机13。根据施加的负载，第一同步发电机13和第二同步发电机20通过受控的整发动机流器42或43来驱动摆动件37、39、40、和41上的异步牵引发动机。气体空气混合物在用在中间压力涡轮机中之后通过通道10进入驱动低压压缩机4的低压涡轮机9。气体-空气混合物在用在低压涡轮机9中之后通过通道35进入再生热交换器28，并且在穿过该再生热交换器之后通过排气适配件36排放至大气。从牵引发电机13和20获得的功率根据图2和图3中示出的两个路径中的一个通过受控的整流器而供应至异步牵引发动机。
[0016]我们来考虑提出的气体涡轮机装置的启动及其在没有负载和在低负载下的操作。在启动之前，用于控制气体涡轮机装置的微处理器控制单元利用阻挡件7来关闭入口引导设备6并且打开旁通阀25，从而将高压压缩机16的通道27连接至用于从大气吸入空气的室。信号“启动”被供应给启动器22并且后者开始使高压轴3旋转直到该高压轴达到用于将燃料供应至燃烧室29所需的旋转速度。燃料计量装置34将燃料供应至燃烧室29，并且高压轴3旋转直到达到空转速度。气体-空气混合物在用在高压涡轮机18中之后通过通道23到达不接收燃料的中间燃烧室15。然后，该气体-空气混合物通过通道14进入到中间压力涡轮机11，并且然后在穿过所述涡轮机之后穿过通道10到达低压涡轮机9并且进一步穿过通道35到达再生热交换器28，并且在穿过再生热交换器之后所述混合物通过排气适配件36排放至大气。由于入口引导设备6是闭合的并且旁通阀25是打开的这样的事实，空气在低压压缩机4中不被压缩，并且低压轴I与中压轴2在不执行工作的情况下旋转，但是处于准备接受负载的不变的状态下。并不从第一同步牵引发电机13获得功率。如果对于机车的操作并不要求满功率，即在空转模式中、当起飞时、在转轨操作过程中、当机车在没有任何汽车的情形下移动时、在斜坡上或者对于轻量型牵引车(low-weight train)，仅高压轴3操作。从第二同步牵引发电机20获得的功率通过受控的整流器38而传递至具有所述异步牵引发动机的组的一个摆动件37，或者从第二同步牵引发电机20获得的功率通过共同控制的整流器43而传递至具有所有异步牵引发动机的组的摆动件37、39、40、41。
[0017]在图4中示出了提出的气体涡轮装置的特定操作，该图示出了气体涡轮装置的效率根据相对获取的功率而变化。当所有压力轴1、2和3都操作时，气体涡轮机装置的效率根据曲线44变化，而当仅有高压轴3操作时，气体涡轮机装置的效率根据曲线45变化。当仅有高压轴3操作时，该单元在没有负载下的燃料消耗是在满功率下的0.005 - 0.06。如果仅有高压轴3在部分负载下操作，则发动机的效率相比于整个气体涡轮机装置的操作高了2-2.5倍，这显著地提高了机车性能。
[0018]工业实用性
[0019]我们建议所提出的发明可用于具有前景的气体涡轮发动机机车并且可用在以液化天然气运行的运输装置上。气体涡轮机装置的使用将使得在没有负载和低负载下的燃料消耗能够显著地降低，消除在机车中使用辅助柴油发电机或高容量蓄电池(accumulator ),这将使得能够减小机车的尺寸、重量、轴负载以及操作成本。
【权利要求】
1.一种用于机车的气体涡轮机装置，包括三个压力轴，其中，高压轴布置在低压轴和中压轴的上方；低压轴设置有低压压缩机，所述低压压缩机具有入口适配件并且通过轴连接至低压涡轮机且通过气体连接件连接至中压涡轮机；中压轴设置有中压涡轮机，所述中压涡轮机通过轴连接至第一同步牵引发电机并且通过通道连接至中间燃烧室；高压轴设置有高压压缩机，所述高压压缩机通过轴连接至高压涡轮机并且通过通道连接至主燃烧室；中间冷却器布置在所述低压压缩机与所述高压压缩机之间并且通过通道连接至所述低压压缩机与所述高压压缩机；再生热交换器布置在所述高压压缩机与所述高压涡轮机之间，并且所述再生热交换器设置有排气适配件且通过通道连接至低压涡轮机和所述高压压缩机，所述热交换器设置有用于加热燃料的热交换器，其特征在于，所述低压压缩机设置有由滑轮驱动的旋转入口引导设备；旁通阀安装在中间冷却器上；所述主燃烧室布置在通过通道连接至所述高压涡轮机的所述再生热交换器中；所述高压压缩机通过轴和减速齿轮连接至启动器；并且所述高压涡轮机通过轴连接至第二同步牵引发电机，以使所述气体涡轮机装置能够在没有负载或者在仅有来自所述高压轴的低负载下操作。
2.根据权利要求1所述的气体涡轮装置，其特征在于，所述第二同步牵引发电机通过受控的整流器连接至具有一组异步牵引发动机的一个摆动件，并且所述第一同步牵引发电机通过受控的整流器连接至具有第二组异步牵引发动机的摆动件，或者这些同步牵引发电机能通过共用的受控整流器连接至具有所有异步牵引发动机的摆动件；或者在其中仅有所述高压轴操作的模式中，所述第二同步牵引发电机能通过其受控整流器连接至具有所述异步牵引发动机的组的一个摆动件，或者所述第二同步牵引发电机能通过所述共用的受控整流器连接至具有所有异步牵引发动机的摆动件。
【文档编号】F02C7/36GK103608567SQ201280021943
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年2月1日 优先权日:2011年7月7日
【发明者】爱德华·伊万诺维奇·涅斯捷罗夫, 瓦列里·斯迈诺维奇·科索夫, 弗拉迪米尔·费奥多罗维奇·鲁坚科, 尹戈尔·瓦连京诺维奇·萨佐诺夫 申请人:俄罗斯铁路开放式股份公司