Силовая установка газотурбовоза

 

Использование: железнодорожные локомотивы с газотурбинными двигателями и электрической передачей. Сущность изобретения: в силовой установке газотурбовоза с газотурбинным двигателем и электрическим приводом переменно-переменного тока каждый асинхронный тяговый электродвигатель выполнен в виде волновой передачи с электромагнитным генератором волн и гибким колесом из материала, легированного элементами третьей группы таблицы Менделеева. Волновая передача обладает большим передаточным отношением (до 300) Это позволяет сместить работу газотурбинного двигателя в область оптимального КПД и устойчивых режимов по частоте оборотов свободной турбины и соответственно по частоте электрического тока. В результате достигается стабилизация тяги на режимах частичной мощности. В волновой передаче совмещены функции опоры качения, тягового электродвигателя, муфты сцепления и редуктора. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к железнодорожным локомотивам с газотурбинными двигателями и электрической передачей.

Известна силовая установка локомотива, оснащенная одновальной газовой турбиной с передачей постоянного тока. В этой установке тяговая турбина сблокирована с компрессором и при трогании с места не развивает тягового усилия.

Известна силовая установка локомотива, оснащенная двухвальной газовой турбиной с механической передачей мощности колесам через понижающий редуктор, систему корданов и осевой редуктор. Существенный недостаток такой установки, особенно в турбопоездах, заключается в ограниченной возможности использования момента на осях.

Наиболее близкой к описываемой является силовая установка газотурбовоза, содержащая включенные последовательно газотурбинный двигатель, синхронный генератор, снабженный переключателем полюсов и реверсором, и группу асинхронных тяговых электродвигателей.

К недостаткам указанной силовой установки относится, главным образом, значительное падение силы тяги асинхронных электродвигателей при малой частоте вращения свободной турбины в режимах частичной мощности.

Целью изобретения является стабилизация силы тяги при работе на режимах частичной мощности и увеличение тяги на режимах конструктивной скорости.

Поставленная цель достигается тем, что в силовой установке газотурбовоза, содержащей механически связанные газотурбинный двигатель и синхронный генератор, снабженный переключателем полюсов и реверсором, группу подключенных к синхронному генератору асинхронных тяговых электродвигателей, газотурбинный двигатель выполнен с возможностью вращения при частичной мощности в области повышенных частот, соответствующих устойчивому режиму свободной турбины, а каждый из тяговых электродвигателей с волновым катящимся ротором и включает в себя укрепленное в статоре жесткое немагнитное колесо, расположенное внутри жесткого колеса гибкое колесо из магнитострикционного материала, легированного элементами третьей группы таблицы Менделеева, и установленный внутри гибкого колеса ведущий вал, опоры которого размещены в боковых фланцах электродвигателя, снабженных фиксаторами нейтрального положения гибкого колеса, при этом на внутреннюю поверхность жесткого колеса, наружную и внутреннюю поверхности гибкого колеса, наружную поверхность ведущего вала и посадочные поверхности боковых фланцев нанесены мелкомодульные зубья.

Достижению поставленной цели способствует также то, что ведущий вал каждого тягового электродвигателя с волновым катящимся ротором выполнен полым и установлен на цапфе соответствующей колесной пары с возможностью взаимодействия через гибкое колесо, жесткое колесо, корпус статора и рессору с рамой газотурбовоза.

На фиг.1 изображена схема описываемой силовой установки газотурбовоза с тяговыми электродвигателями; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез В-В на фиг.2.

Силовая установка газотурбовоза состоит из газотурбинного двигателя 1 со свободной турбиной, трехфазного синхронного генератора 2 с возбудителем 3, переключателем 4 полюсов и реверсором 5, тяговых асинхронных электродвигателей 6, выполненных каждый в виде волновой передачи, которая содержит электромагнитный генератор 7 волн, жесткое колесо 8 из немагнитного, износостойкого материала, гибкое колесо 9 из магнитострикционного материала, ведущий вал 10, боковые фланцы 11 и 12. В последних размещены шаровые фиксаторы 13 нейтрального положения гибкого колеса 9.

Ведущий вал 10 выполнен полым, коаксиально расположен и укреплен на цапфе 14 колесной пары газотурбовоза. При этом корпус волновой передачи с электромагнитным генератором 7 волн реализован в виде статора асинхронного электродвигателя и соединен через рессору 15 с рамой 16 газотурбовоза. Боковые фланцы 11 и 12 на посадочных местах, внутренняя поверхность жесткого колеса 8, расположенного в статоре асинхронного электродвигателя, наружная и внутренняя поверхности гибкого колеса 9 и наружная поверхность ведущего вала 10 снабжены мелкомодульными зубьями. Это позволяет надежно закрепить в статоре жесткое колесо 8 и передавать на ведущую ось фиксированный момент зубчатым зацеплением, что предпочтительнее фрикционного (мелкомодульные зубья не показаны).

Силовая установка газотурбовоза работает следующим образом.

Газотурбинный двигатель 1 со свободной турбиной функционирует известным образом и вращает трехфазный синхронный генератор 2 с возбудителем 3, электроэнергия которого поступает на тяговые электродвигатели 6, выполненные каждый в виде волновой передачи с электромагнитным генератором 7 волн, магнитное поле которого взаимодействует с гибким колесом 9. Гибкое колесо 9 изготовлено из материала, легированного элементами третьей группы таблицы Менделеева, преимущественно ураном, что дает возможность существенно увеличить величину линейного удлинения материала под действием магнитного поля. Это, соответственно, позволяет увеличить толщину стенки гибкого колеса 9 и тем самым увеличить передаваемый крутящий момент.

Взаимодействие бегущего магнитного поля генератора 1 волн с материалом гибкого колеса 9 вызывает в колесе 9 эллипсовидную объемно-геометрическую деформацию, что дает возможность наружной поверхности гибкого колеса 9 взаимодействовать с внутренней поверхностью жесткого колеса 8 по большому диаметру эллипса деформации и внутренней поверхности колеса 9 с наружной поверхностью ведущего вала 10 по малому диаметру эллипса деформации. Под воздействием бегущего магнитного поля эллипс деформации гибкого колеса 9 перемещается в обратную сторону с поступательным движением стенки колеса 9 и передает крутящий момент на ведущий вал 10, реализуя одно из передаточных отношений волновой передачи в диапазоне 50-300 на ведущую ось газотурбовоза. Это позволяет при работе на режимах частичной мощности сместить работу газотурбинного двигателя в область устойчивых режимов по частоте вращения свободной турбины и, соответственно, частоте переменного электрического тока, вырабатываемого синхронным генератором 2, в результате на режимах частичной мощности имеет место стабилизация тяги и электродвигателей 6 в виде волновой передачи с электромагнитным генератором 7 волн и, соответственно, увеличение тяги на режимах конструктивной скорости при оснащении волновой передачей колесных пар вагонов.

Устройство волновой передачи предусматривает автоматическое отключение колесной пары от силовой установки газотурбовоза в случае отключения электроэнергии. При отсутствии магнитного поля гибкое колесо 9 принимает цилиндрическую форму, выходит из зацепления с жестким колесом 8 и ведущим валом 10 и зависает в нейтральном положении между ними на шаровых подпружиненных фиксаторах 13, которые при работе волновой передачи утапливаются в тело фланцев 11 и 12 кромками колеса 9.

Электромагнитный генератор 7 волн, как уже отмечалось, выполнен в виде статора асинхронного двигателя с боковыми фланцами 11 и 12. Мелкомодульные зубья позволяют надежно зафиксировать немагнитное жесткое колесо 8 через фланцы 11 и 12 относительно корпуса генератора 7 волн и передать момент на ведущий вал 10, который взаимодействует через гибкое колесо 9, жесткое колесо 8, корпус электромагнитного генератора 7 волн и рессору 15 с рамой 16 транспортного средства. Иными словами, в данном случае реализована букса в виде тягового электродвигателя с редуктором и муфтой. Подобным устройством целесообразно оснащать колесные пары, преимущественно, пассажирского подвижного состава.

Тяга регулируется отключением (включением) групп тяговых электродвигателей 6 в виде волновой передачи. Ступенчатое переключение (изменение) скорости осуществляется переключением полюсов генератора 2 посредством переключателя 4. Задний ход осуществляется реверсором 5. Плавное изменение скорости достигается частотной регулировкой тяговых электродвигателей 6 соответственно изменению частоты вращения свободной турбины. На холостом ходу ведущие оси отключаются от силовой установки газотурбовоза снятием электрического напряжения (нейтральное положение гибкого колеса).

Наличие в силовой установке газотурбовоза тяговых электродвигателей, выполненных каждый в виде волновой передачи, обладающей значительным передаточным отношением (до 300), позволяет сместить работу газотурбинного двигателя в область оптимального КПД и устойчивых режимов по частоте вращения свободной турбины и, соответственно, частоте переменного электрического тока, что обеспечивает стабилизацию тяги на режимах частичной мощности.

Реализация тягового двигателя в виде волновой передачи с полым ведущим валом, укрепленным на цапфе колесной пары, позволяет оснастить каждую ведущую ось двумя волновыми передачами, выполняющими функции опоры качения, тягового электродвигателя, редуктора и муфты. Оснащение подобным устройством пассажирского подвижного состава дает возможность увеличить тягу на режимах конструктивной скорости.

Применение данной силовой установки газотурбовоза предопределяет снижение расхода топлива, уменьшение загазованности окружающей среды, снижение отрицательного воздействия на путь при торможении и трогании с места, а также использование на подвижном составе высокооборотных вертолетных турбин, отработавших ресурс в воздухе.

Формула изобретения

1. СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ГАЗОТУРБОВОЗА, содержащая механически связанные газотурбинный двигатель и синхронный генератор, снабженный переключателем полюсов и реверсором, группу подключенных к синхронному генератору асинхронных тяговых электродвигателей, отличающаяся тем, что газотурбинный двигатель выполнен с возможностью вращения при частичной мощности в области повышенных частот, соответствующих устойчивому режиму свободной турбины, а каждый из тяговых электродвигателей - с волновым катящимся ротором и включает в себя укрепленное в статоре жесткое немагнитное колесо, расположенное внутри жесткого колеса гибкое колесо из магнитострикционного материала, легированного элементами третьей группы таблицы Менделеева, и установленный внутри гибкого колеса ведущий вал, опоры которого размещены в боковых фланцах электродвигателя, снабженных фиксаторами нейтрального положения гибкого колеса, при этом на внутреннюю поверхность жесткого колеса, наружную и внутреннюю поверхности гибкого колеса, наружную поверхность ведущего вала и посадочные поверхности боковых фланцев нанесены мелкомодульные зубья.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ведущий вал каждого тягового электродвигателя с волновым катящимся ротором выполнен полым и установлен на цапфе соответствующей колесной пары с возможностью взаимодействия через гибкое колесо, жесткое колесо, корпус статора и рессору с рамой газотурбовоза.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3