燃气轮机车的应用与发展_伍赛特.pdf

SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 02 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY SAVING2018 年第 08 期ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018收稿日期：2022-06-12作者简介：伍赛特（1990-02-），男，研究生，工学硕士，工程师、经济师，研究方向为内燃机与动力装置燃气轮机车的应用与发展伍赛特上海汽车集团股份有限公司摘要：通过对燃气轮机车的结构组成及发展概况的分析，重点对几类燃气轮机车的特点进行了详细介绍，并对其未来应用进行了研究。燃气轮机的功率受海拔高度的影响比柴油机小，故更适用于高原铁路。燃气轮机的主要缺点是其热效率低于内燃机车，且燃气轮机的噪声大、使用寿命短，在世界各国未广泛应用。考虑到燃气轮机车自身特点及高原地区实现地铁电气化的难度较高，其依然有一定的独到之处。关键词：燃气轮机车；内燃机车；燃气轮机；内燃机；柴油机；热力发动机DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.02.008Application and Development of Gas Turbine LocomotiveWU SaiteSAIC Motor Corporation LimitedAbstract:Based on the analysis of the structure and development of gas turbine locomotives,the characteris-tics of several types of gas turbine locomotives are introduced in detail,and their future applications are stud-ied.The power of gas turbine is less affected by altitude than that of diesel engine,so it is more suitable for pla-teau railway.The main disadvantages of gas turbines are that their thermal efficiency is lower than that of die-sel locomotives,and gas turbines are not widely used in the world due to their high noise and short service life.Considering the characteristics of gas turbine locomotive and the high difficulty of realizing subway electrifica-tion in plateau areas,it still has certain uniqueness.Key words:Gas Turbine Locomotive;Internal Combustion Locomotive;Gas Turbine;Internal Combustion En-gine;Diesel Engine;Thermal Engine173SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.0820180 前言燃气轮机车是一类以燃气轮机为动力来源，通过传动装置驱动走行装置的铁路牵引动力机车1。燃气轮机车由动力装置、传动装置、车体车架、走行制功装置、操作控制系统和辅助系统等部分组成，除燃气轮机动力装置和与其相关的传动、控制操纵、辅助装置有其特殊性外，其它部分与内燃机车基本相似。燃料在燃气轮机内燃烧做功，一般用电力传动装置驱动车轮。1 燃气轮机车发展概况最早燃气轮机车采用的是复式燃气轮机。1933年瑞典制成一台480 kW 的自由活塞燃气轮机车，1955年又制成一台950 kW 的连杆活塞燃气轮机车。1951年法国先后制成735 kW和1 770 kW的自由活塞燃气轮机车，并投入运行。1954年苏联创造了一台2 210 kW 的自由活塞燃气轮机车2，除这一台采用电力传动外，上述其他几台机车均采用机械传动。开式燃气轮机车产生较晚。1941年瑞士首先制造出功率为 1 620 kW 的开式燃气轮机车。从1948年到20世纪50年代末，美国制造出功率分别为2 980 kW、3 580 kW、6 384 kW的燃气轮机车小批量投入正式运用3。美国还试制过一台3 730 kW的直接燃烧煤粉的燃气轮机车，但未获成功。中国于20世纪60年代至70 年代亦先后试制成2 210 kW和2 940 kW燃气轮机车。完成了燃烧重柴油、重油、高海拔(2 2612 500 m）、牵引位能和线路运行，乃至改装航空型轻小燃气轮机组后所作消声处理效果检测等多项试验。20 世纪80 年代还设计研制了带回热器燃气轮机和装用航空型分轴燃气轮机等两台燃气轮机车，但未完成试制。20世纪60年代也曾研制过自由活塞燃气轮机车，但未完成试制。美国正式使用过57台开式燃气轮机车，能成功地燃烧重油，其动力装置运用可靠，制造和修理比较简单。但这种机车的效率，特别是部分负荷状态下的效率远低于内燃机车。20世纪60 年代末期，美国重油涨价，这种机车因失去应用的经济价值而停止使用。法国曾成功地使用自由活塞燃气轮机车，但由于噪声大而停用。中国在扬燃气轮机车所长、避其所短方面做了不少工作，取得一定成绩，但终因能源结构调整而中止研制。2 燃气轮机车的分类和工作过程燃气轮机车按所采用的燃气轮机类型的不同可分为复式燃气轮机车和开式燃气轮机车两类。燃气轮机为涡轮动力机械，由静子（内装若干级静叶，以改变燃气进入动叶的方向）和转子（上装与静叶相同级数的动叶）两部分组成，高温高压的燃气经静叶导流入动叶，推动动叶即转子旋转，燃气逐级降温降压，将热能转化为机械能，产生动力。这是两类燃气轮机的共性，但产生高温高压燃气的方法则有所不同。复式燃气轮机是由活塞式燃气发生器产生的燃气推动燃气轮机的。此类燃气发生器又有两种，一种是自由活塞式发生器，另一种是连杆活塞式发生器。开式燃气轮机是由叶轮压气机吸入新鲜空气压缩为高压空气进入燃烧室，在高压（定压）状态下燃烧，产生高温高压的燃气，推动燃气轮机。因为工质为开式循环，故称开式燃气轮机车。燃气轮机车因种类不同，其工作过程也就不同。2.1 自由活塞燃气轮机车的工作过程启动时将贮气罐的高压空气通入燃气发生器，推动自由活塞，将活塞另一侧气缸中存有的空气进行压缩，达到一定压力和温度时，高压喷入的燃料呈雾化状态与空气混合而燃烧，完成压缩、燃烧、膨胀工作循环。这时可停止供应高压空气，而燃气发生器的气缸自行吸入外界空气进行再一次循环，这样往复循环。继续增加喷入燃料，活塞运动频率不断提高，直至工作频率，启动过程即告完成。随后由此产生的高温高压燃气不断流入燃气贮存器，再均匀稳定地流入燃气轮机，做功后的废气排入大气。燃气轮机发出的功率通过驱动传动装置驱动机车走行装置，使机车牵引列车前进。174SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 02 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY SAVING2018 年第 08 期ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.0820182.2 连杆活塞燃气轮机车的工作过程燃气发生器的启动过程与柴油机相同，启动后转速不断增加直至工作转速，尔后，产生的高温高压燃气流入燃气轮机做功，其工作情况与自由活塞燃气轮机车相似。2.3 开式燃气轮机车的工作过程开式燃气轮机组是一体的，其压气机与燃气轮机同轴，燃烧室介于两者之间，需要较大的运动功率和较长的启动时间。启动时需由蓄电池组或柴油发电机组直接供电启动，也可由柴油机通过电磁滑差离合器直接启动燃气轮机组转子。当转子启动至预定点火转速，即可将燃料通过喷嘴呈雾化状喷入燃烧室，同时启动点火装置使燃气轮机组开始工作。转子达到自持转速后启动电机即可与转子脱开。按预定要求继续增加燃料喷入量，燃气轮机转子继续增速，直到空载转速，完成了燃气轮机的启动过程。燃气轮机达到空载转速后，即可按机车牵引工况的要求继续增加燃料输入，使机车启动并加速到所需的运行速度。燃气轮机组的压气机为多级叶片应气机，吸入的外界空气经多级压缩成为高压空气，尔后经（或不经）回热器进入燃烧室与雾化燃料混合燃烧，推动燃气轮机做功，废气排入大气。燃气轮机发出的功率约有三分之二用来带动自身压气机，剩余部分作为机车牵引功率和辅助功率。牵引功率通过传动装置传递给机车走行装置，驱动机车前进。燃气轮机车的传动装置功率较小时大多采用机械传动，功率增大后几乎全部采用电力传动。3 开式燃气轮机车的动力装置开式燃气轮机组主要由压气机、燃烧室、燃气轮机三大部分组成，并配置控制操纵、启动装置，辅助发电设备，燃油、润滑、冷却系统，空气进气、废气排出及消声系统。为提高燃气轮机组热效率，有的配置了回热器，即将压缩的空气与排放废气在回热器中热交换以提高空气温度。压气机和燃气轮机均属叶片涡轮机。随着科技进步，压气机的压比、燃气轮机叶片材料耐温和冷却技术均在不断提高，因而热效率也不断提高。叶轮机转子和静子间为无摩擦相对转动，转子由滚动轴承或液体润滑滑动轴承支承。燃烧室可燃用天然气、柴油、重柴油、重油等多种燃料。燃气轮机组的启动和辅助发电设备比较复杂，由于所需启动功率大、时间长，若用蓄电池供电，蓄电池容量需求很大，为给蓄电池充电，则需配置较大辅助柴油发电机组。若用辅助柴油发电机组直接供电或柴油机直接启动，所需柴油机组也需较大容量。因而在国际上有的燃气轮机车上，配置了较大辅助柴油发电机后，不仅供辅助电源之用，还用作出入库的动力源。这样，柴油机的使用时间往往比燃气轮机还长，显然不尽如人意。中国的2 940 kW燃气轮机车在辅助柴油发电机组与燃气轮机间设置了电磁滑差离合器，利用电磁滑差离合器传递动力的柔性联络和主从动转子的可逆性，启动时由柴油机通过电磁滑差离合器直接拖动燃气轮机转子，当燃气轮机正常运转后又通过电磁滑差离合器反带辅助发电机发电，而柴油机可以脱离，停止工作。出入库时也可以不启动燃气轮机，而由辅助柴油发电机组供电给一两个牵引电动机驱动机车。尽管开式燃气轮机组均做旋转运动，机车振动小，但进排气量大，转速高，故进排气高频噪声很大，特别是将较大体积的地面电站型结构的燃气轮机装用到机车上，采取消声措施是受限制的。而轻小结构的航空型燃气轮机装用到机车上后，采取消声措施较容易，效果也较为明显，振动既小，噪声也大大小于内燃机车。此外，在燃气轮机燃用重油时，其加热保温措施也甚为重要。例如贮油箱、燃油管路及阀门等凡有重油进入的地方均应有相应的有效加热保温措施，防止因事故停机时重油凝固在系统中，保证机组能再次顺利启动。再者，开式燃气轮机车多数为电力传动，由于燃气轮机为高速旋转的动力机械，而与其匹配的发电机为中速电机，故两者之间必须增设大减速比、大功率的减速器，多数采用两级平燃气轮机车的应用与发展175SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023ENERGY SAVING FORUMSHA