Энергосберегающее управление силовыми установками газотурбинных локомотивов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат наук Грачев Николай Валерьевич

• Грачев Николай Валерьевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Грачев Николай Валерьевич

Введение

1 Обзор существующих систем газотурбинной тяги

1.1 Грузовые газотурбовозы железных дорог США

1.2 Газотурбинная силовая установка поезда ТЖВ

1.3 Отечественный опыт создания газотурбовозов Г1 и ГТ

1.4 Опыт эксплуатации газотурбовозов ГТ^ - 001 и ГТ^

Выводы к первой главе

2 Разработка математической модели силовой энергетической ^ установки газотурбинного локомотива

2.1 Математическая модель газотурбинного двигателя

2.2 Математическая модель тягового синхронного генератора

2.3 Математическая модель тяговых электродвигателей

2.4 Математическая модель системы управления

Выводы ко второй главе

3 Исследование работы газотурбинного локомотива в различных режимах

3.1 Исследование работы в режиме тяги и переходных режимах

3.2 Определение критериев экономичности работы

3.3 Работа в энергосберегающем режиме

Вывод к третьей главе

4 Экспериментальные исследования газотурбинного локомотива с энергосберегающим алгоритмом управления силовой установкой

4 1 Получение экспериментальных данных по энергопотреблению

при энергосберегающем управлении силовыми установками

4.2 Оценка экономической эффективности

Вывод к четвертой главе

Заключение

Литература

Приложение

Приложение

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергосберегающее управление силовыми установками газотурбинных локомотивов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Повышение энергоэффективности транспортной системы Российской Федерации, снижение доли транспортных издержек в валовом внутреннем продукте за счет уменьшения затрат на перевозки, повышение эффективности видов транспорта является одной из важнейших задач современного этапа экономического развития страны.

На обеспечение структурных сдвигов в экономике, создание инновационных источников роста и повышения конкурентоспособности отраслей экономики, в том числе и всех видов транспорта, направлена государственная политика Российской Федерации.

Одну из основных ролей в мировом энергопотреблении в настоящее время играет природный газ, являясь высокоэкологичным и относительно доступным по цене. Одной из ключевых тенденций последних десятилетий является использование в качестве моторного топлива природного газа.

Энергетической стратегией России, утвержденной распоряжением Правительства России от 28.08.2003г. №1234Р и предусматривается к 2020 году замещение на 25% природным газом расходуемого дизельного топлива [1].

Создание и применение в эксплуатации магистральных газотепловозов и газотурбинных локомотивов мощностью до 10 тыс. кВт является одним из исходных ориентиров инновационного развития ОАО «РЖД» до 2030 года в области локомотивного хозяйства, намеченных в «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года», утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 11.02.2008г. №269р [5].

Энергетическая Стратегия предусматривает замещение 25% используемого дизельного топлива природным газом.

В развитие Энергетической стратегии в план научно-исследовательских и опытно конструкторских работ ОАО «РЖД» на 2005 г.

была внесена тема 7.1.05 ЦТ «Магистральный газотурбовоз мощностью 6200 кВт» [2].

Программа по внедрению тягового подвижного состава, работающего на сжиженном природном газе, на полигоне Свердловской железной дороги на периоды с 2015 по 2025 годы, конкретизирует подпрограмму «Перевод автомобильного, железнодорожного, авиационного, морского и речного транспорта на использование газомоторного топлива» Государственной программы Российской Федерации «Развитие транспортной системы» [3], и определяет роль холдинга «РЖД» в реализации Комплексного плана мероприятий расширения использования природного газа в качестве моторного топлива от 14.11.2013 № 6819п-П9 [4].

Так же в «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 г. и на перспективу до 2030 г., принятой в 2008 г., предусмотрено значительное снижение удельного расхода топливо энергетических ресурсов во всех сферах деятельности ОАО «РЖД», включая локомотивы [5].

Поэтому одной из целевых задач, является повышение экономичности работы газотурбинных локомотивов использующий в качестве моторного топлива природный газ.

Объектом исследования является силовая энергетическая установка газотурбинного локомотива.

Предметом исследования являются основные физические процессы преобразования энергии газа в электрическую энергию в системе газовая турбина - генератор и управление ею с целью повышении экономичности работы газотурбинных локомотивов.

Работа посвящена совершенствованию алгоритмов управления мощностью системы турбина - генератор, обеспечивающих формирование рациональных траекторий нагружения газовой турбины во всем диапазоне ее использования. Под рациональными траекториями нагружения газовой турбины в системе газовая турбина - генератор следует понимать такие траектории, при которых согласовывается мощность источника (газовой

турбины) и потребителя (генератора) при минимальном потреблении топлива.

Степень разработанности. Современные магистральные газотурбовозы оборудуются интеллектуальными системами управления и регулирования с функцией непрерывной регистрации всех контролируемых параметров. Эти параметры используются балансодержателем парка и сервисными компаниями для мониторинга режимов эксплуатации газотурбовозов. Часть регистрируемых параметров может быть использована для определения свободной мощности газотурбинного двигателя с помощью термогазодинамической модели. На данный момент не решена задача использования термогазодинамической модели газотурбинного двигателя как объективного «инструмента» для оптимизации алгоритмов управления силовыми установками газотурбовозов.

Значительный научный и практический вклад в применение газотурбинного двигателя работающего на сжиженном природном газе в качестве силовой установки автономных локомотивов внесли такие ученые и специалисты как: Э.И. Нестеров, В.С. Коссов, В.А. Гапанович, Д.Л. Киржнер, Ю.В. Бабков, В.Ф. Руденко, Ю.И. Клименко, Р.А. Зашляпин, С.М. Игначков, В.Ф. Суетин, С.Н. Тресвятский, Д.Г. Федорченко, А.А. Соколов, В.А. Букин, В.А. Перминов, В.В. Грачев, А.В. Грищенко.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение энергетической эффективности газотурбинных локомотивов путем совершенствования способов и алгоритмов управления их силовыми установками.

В работе решены следующие задачи:

1. Проведен обзор и анализ существующих систем передачи энергии газовой турбины к колесным парам автономного локомотива;

2. Исследованы основные физические процессы преобразования энергии газа в электромагнитную энергию в системе газовая турбина -генератор и управление ею;

3. Разработаны математические модели силовой энергетической установки газотурбовоза и регулятора выходной мощности системы турбина - генератор газотурбинного локомотива серии ГТЩ

4. Исследованы электромагнитные процессы в тяговом электроприводе газотурбинных локомотивов серии ГТ^ в различных режимах его работы;

5. Исследована работа алгоритмов управления силовыми установками газотурбинных локомотивов;

6. Обоснован метод реализации управления газовой турбиной, нагруженной на тяговый генератор, который обеспечивает улучшение экономичности ее работы на частичных нагрузках;

7. В соответствии с предложенными подходами к управлению газовой турбиной и регулированию выходной мощности системы газовая турбина -генератор, предложен алгоритм управления мощностью системы турбина -генератор, обеспечивающий формирование рациональных траекторий нагружения газовой турбины по свободной мощности турбины во всем диапазоне ее использования, позволяющий снизить удельный расход топлива затрачиваемого газотурбовозом на тягу поездов;

8. Выполнена обработка экспериментальных данных полученных в ходе эксплуатации газотурбовозов серии ГТ^ №№ 001, 002 на путях общего пользования инфраструктуры Свердловской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» с использованием предложенного алгоритма управления силовыми установками газотурбинных локомотивов, обеспечивающих повышение их экономической эффективности.

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решены с использованием математических методов теории автоматического управления, основ термодинамики, основ электромеханического преобразования энергии в синхронных электрических машинах и машинах постоянного тока, статистических методов обработки экспериментальных данных. Расчеты и моделирование процессов в узлах и системах газотурбинных локомотивов проводились с использованием

программных пакетов математического моделирования сложных электромеханических систем с реализацией в MATLAB. Для обработки данных и построения графиков использовался редактор таблиц Microsoft Ехсе1.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснован метод реализации управления газовой турбиной, нагруженной на тяговый генератор, который обеспечивает улучшение экономичности ее работы на частичных нагрузках;

2. Предложен алгоритм управления мощностью системы турбина -генератор, обеспечивающий формирование рациональных траекторий нагружения газовой турбины по свободной мощности турбины во всем диапазоне ее использования.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе обеспечивается обоснованностью принятых допущений, адекватностью моделирования переходных процессов подтверждённых

экспериментальными данными, полученными в ходе испытаний газотурбовоза при нагружение на реостатную станцию и во время эксплуатации газотурбовоза на Свердловской железной дороге.

Практическая значимость работы. Разработанный, в соответствии с предложенными подходами к управлению газовой турбиной и регулирования выходной мощности системы газовая турбина - генератор, алгоритм управления силовыми установками, позволяет снизить удельный расход топлива затрачиваемого газотурбовозом на тягу поездов.

Реализация результатов работы. Разработанный, в соответствии с предложенными способами управления газовой турбиной и регулирования выходной мощности системы газовая турбина - генератор, алгоритм управления силовыми установками использован в системах автоматического управления газотурбовозов серии TTlh № 001 и 002 эксплуатируемых на путях общего пользования инфраструктуры Свердловской железной дороги -филиала ОАО «РЖД».

Положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель силовой энергетической установки газотурбинного локомотива.

2. Метод реализации управления газовой турбиной, нагруженной на тяговый генератор, обеспечивающий снижение потребления топлива при работе газотурбовоза на частичных нагрузках.

3. Алгоритм управления мощностью системы турбина - генератор, обеспечивающий формирование рациональных траекторий нагружения газовой турбины по свободной мощности турбины во всем диапазоне ее использования на газотурбовозе.

Личное участие в получении результатов работы.

1. Анализ существующих систем передачи энергии газовой турбины к колесным парам автономного локомотива.

2. Разработка алгоритма управления мощностью системы турбина-генератор, позволяющий формировать рациональные траектории нагружения газовой турбины во всем диапазоне ее использования на газотурбовозе.

3. Получение экспериментальных данных работы газотурбовозов серии rTlh, с использованием предложенного алгоритма управления силовыми установками газотурбинных локомотивов, обеспечивающих повышение их экономической эффективности, на Свердловской железной дороге.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на VII международной научно-технической конференции «Локомотивы. Электрический транспорт. XXI век» 2020 г., Санкт-Петербург, международной научной конференции «International Transport Scientific Innovation (ITSI-2021)» 2021 г., Москва, VI всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» 2021 г., Омск.

Публикации. Основные положения диссертации достаточно полно изложены в 6 научных работах, из них 4 - в печатных изданиях, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ и приравненных к ним для публикации результатов диссертационных работ.

Структура и объем диссертации.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и задачи исследования.

Первая глава посвящена анализу существующих систем газотурбинной тяги как отечественных, так и зарубежных. Сформулированы задачи, решаемые в рамках диссертационной работы.

Вторая глава посвящена математическому описанию физических процессов происходящих в газотурбинном двигателе, тяговом электроприводе газотурбинных локомотивов и системы автоматического управления тяговым электроприводом газотурбинных локомотивов

Третья глава посвящена исследованию работа модели САР мощности системы турбина - генератор в режиме тяги и переходных режимах, определению критериев экономичности работы газотурбинного двигателя, анализу статистические данные тяговой работы газотурбовоза. Определяется метод повышения экономичности работы газотурбинного двигателя нагруженного на тяговый генератор. В соответствии с предложенными подходами к управлению газовой турбиной и регулирования выходной мощности системы газовая турбина - генератор, разрабатывается алгоритм управления силовыми установками газотурбинных локомотивов серии ГТ111, который позволяет снизить удельный расход топлива затрачиваемого газотурбовозом на тягу поездов.

Четвертая глава посвящена статистическому анализу данных полученных в ходе экспериментальных исследований работы газотурбовозов серии ГТИ №№ 001, 002 на путях общего пользования инфраструктуры Свердловской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» и оценке экономической эффективности работы газотурбинных локомотивов при

использовании предложенного алгоритма управления силовыми установками газотурбинных локомотивов, обеспечивающего повышение их экономической эффективности.

В заключении формируются основные теоретические и практические результаты работы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ГАЗОТУРБИННОЙ ТЯГИ

1.1 Грузовые газотурбовозы железных дорог США

Первые зарубежные газотурбовозы были созданы в 40 - 50 годах прошлого века. Уровень экономичности газотурбинных двигателей тогда был очень низок и использование их на локомотивах обуславливалось только лишь их хорошими мощностными качествами.

Разработками газотурбовозов в США были заняты следующие фирмы: «Боинг», «Дженерал-Электрик», «Вестингауз», «Аллис-Чалмерс», «Алко» [6].

Первый газотурбовоз (Газотурбовоз № 50) был создан фирмами «Дженерал-Электрик» и «Алко» в 1948 г.

Газотурбовоз № 50 в ходе опытной эксплуатации на железной дороге «Юнион-Пасифик» показал положительные результаты своей работы и к концу 1954 г. было выпущено еще 25 локомотивов (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Газотурбовоз № 61

В конце 1955 г. фирмами «Дженерал-Электрик» и «Алко» был построен газотурбовоз большей мощности (10700 л.с.). Газотурбовоз был в

двухсекционном исполнении, с прицепным топливным тендером (рис. 1.2)

[7].

Рис. 1.2. Газотурбовоз 10700 л.с. «Дженерал-Электрик» и «Алко»

1.2 Газотурбинная силовая установка поезда ТЖВ

В 1960-е годы прошлого века во Франции в ответ на строительство Японией сети скоростных железных дорог Синкансэн (1959 год) возникла идея создания «Turbine Grande Vitesse» (TGV) название расшифровывалось как «скоростная турбина» [8, 9].

Планировалось, что TGV будет турбопоездом (с газотурбинным двигателем). На рисунках 1.3, 1.4 представлен первый прототип TGV 001 Turbotrain с этим типом двигателя.

Рис. 1.4. Габаритные размеры TGV 001

Некоторые технические характеристики TGV 001 приведены в таблице

1.1

Таблица 1.1 - Технические характеристики TGV 001

Характеристика Значение

Длина, м 92,90

Ширина, м 2,81

Высота, м 3,40

Вес, кг 192000

Мощность, кВт

Тшто III 3760

Тшто Х 4400

Максимальная скорость, км/ч

Тшто III 280

Тшто Х 300

Объем топливного бака, л 8000

1.3 Отечественный опыт создания газотурбовозов Г1 и ГП1

Проектирование первого отечественного грузового газотурбовоза было начато в 1955 г. на Коломенском тепловозостроительном заводе. [10, 11, 12].

В качестве силовой установки был выбран одновальный газотурбинный двигатель мощностью 3500 л.с. КПД двигателя составляло 18%..

Общий вид газотурбинного двигателя представлен на рисунке 1.5.

1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина Рис. 1.5. Общий вид газотурбинного двигателя

В 1959 г. на Коломенском тепловозостроительном заводе был построен первый отечественный грузовой газотурбовоз Г1 № 01, общий вид которого представлен на рисунке 1.6.

Рис. 1.6. Грузовой газотурбовоз Г1 № 01

Основные характеристики газотурбовоза Г1 приведены в таблице 1.2. Таблица 1.2 - Основные характеристики газотурбовоза Г1

Характеристика Значение

Касательная мощность, л.с 2700

Нагрузка на рельс, тонн 23,5

Конструкционная скорость, км/час 100

Запас топлива, тонн:

тяжелого 9,5

дизельного 1,5

Служебный вес, тонн 141

Подконтрольная эксплуатация Г1 № 01 проходила в локомотивное депо Кочетовка Юго-Восточной железной дороги.

К 1964 году были построены два пассажирских газотурбовоза ГП1 №№ 0001 и 0002 (рис. 1.8) [13].

Рис. 1.8. Пассажирский газотурбовоз ГП1 № 0002

Основные характеристики газотурбовозов ГП1 приведены в таблице

1.3.

Таблица 1.3 - Основные характеристики газотурбовозов ГП1.

Характеристика Значение

Касательная мощность, л.с 2500

Нагрузка на рельс, тонн 21,4

Конструкционная скорость, км/час 160

Запас топлива, тонн:

тяжелого 12,5

дизельного 1,0

Служебный вес, тонн 128,4

Опыт эксплуатации газотурбовозов серий Г1 и ГП1 несомненно показал, что газотурбинные двигатели это надежные машины, удовлетворяющие требованиям локомотивной службы [14, 15].

На рисунке 1.9 представлена зависимость удельного расхода топлива газотурбовозами от коэффициента использования мощности (К).

е,нг/ 7£Л ткм брутто

2Ь0

200

160

120

00

В 0,1 0,2 0,3 ЛЛ 0,5 0,5 0,1 К

Рис. 1.9. Удельный расход топлива газотурбовозами в зависимости от коэффициента использования мощности

> • Льгод- 1 •Нштоп

■ ® Нонотоп-Ииев

• о Кочетовка-Рыбт

2а * О

С о

• . с 0 1 о л

ьоо

Из графика видно, что удельный расход топлива в зависимости от величины коэффициента использования мощности двигателя изменяется в 3 -4 раза.

1.4 Опыт эксплуатации газотурбовоза ГТ^ - 001 и ГТ^ - 002

В «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 г. и на перспективу до 2020 г., ставится задача по использованию альтернативных источников топлива взамен дизельного на автономных локомотивах.

В качестве альтернативных топлив рассматривались: сжиженный водород, метанол, сжатый и сжиженный природный газ, сжиженный нефтяной газ.

Проведенный анализ показал, что наиболее выгодным альтернативным видом топлива для автономных локомотивов является сжиженный природный газ.

В 2005 г. был разработан эскизный проект газотурбовоза, а в октябре технический проект газотурбовоза [16].

ОАО «СНТК им. Кузнецова» была разработана конструкторская документация на опытной образец силового блока, в состав которого вошел газотурбинный двигатель НК-361, созданный на базе авиационного двигателя НК-32, эффективный КПД которого на режиме максимальной мощности составляет 28,2%.

ОАО «ВНИКТИ» была разработана модель системы управления двигателем [17].

04 июля 2008 г. проведена первая опытная поездка [18, 19].

На рисунке 1.10 представлен внешний вид газотурбовоза магистрального грузового ГТ^ №001.

Рис. 1.10. - Газотурбовоз магистральный грузовой ГТ^ №001

Габаритные размеры и расположение оборудования газотурбовоза представлены на рисунках 1.11 и 1.12.

В «тяговой» секции располагается силовой блок (газотурбинный агрегат). Во второй «бустерной» секции размещается блок криогенной ёмкости (БКЕ) с запасом сжиженного природного газа (СПГ) и криогенный насос, обеспечивающий доставку газа в тяговую секцию. Обе секции газотурбовоза оборудованы тяговыми электродвигателями (ТЭД) и кабинами управления. СПГ, необходимый для работы ГТД хранится в БКЕ под давлением от 0,3 до 0,6 МПа и температуре до минус 161 °С [21]. Блок силовой ГТЭ-8,3/НК является основной энергетической установкой газотурбовоза и обеспечивает привод тягового генератора от газотурбинного двигателя.

Рис. i ll - Газотурбовоз ГТ111-001 «тяговая секция»: 1 - кузов; 2 - радиооборудование; 3 - система КЛУБ-У; 4 - установка централизованного воздухоснабжения; 5 - силовой блок ГТЭ 8,3/НК; 6 - блок резервуаров; 7 - компрессор; 8 - высоковольтная камера; 9 - тяговый преобразователь.; 10 - тележка; 11 - тормозное оборудование

NJ О

Рис. 1.12 —. Газотурбовоз ГТ111-001 «бустерная секция»:

кузов; 2 - радиооборудование; 3 - установка централизованного воздухоснабжения; 4 -криогенная емкость для СПГ; 5 - установка охлаждения тягового преобразователя; 6 - тяговый преобразователь; 7 - система КЛУБ-У; 8 - блок резервуаров; 9 - блок аккумуляторных батарей;

10 - силовой шкаф электрооборудования. 11 - тележка; 12 - тормозное оборудование.

Начиная с января 2013 г. и по настоящее время успешно эксплуатируется на путях общего пользования инфраструктуры Свердловской железной дороги - филиала ОАО «РЖД», который обслуживается эксплуатационным локомотивным депо Егоршино (ТЧЭ-13) Свердловской дирекции тяги [22].

В августе 2013 года — на Людиновском тепловозостроительном заводе выпущен уже серийный образец газотурбовоза серии ГТ^ - ГТ1^002 (рис. 1.13) [23].

Рис. 1.13. - Газотурбовоз магистральный грузовой ГТ1^002

Общий вид и габаритные размеры газотурбовоза ГТ1^002 представлен на рисунке 1.14.

2500

iJKtt?

faâqpum Uî

Рис. 1.14,- Газотурбовоз rTlh-002:

Основные технические характеристики газотурбовоза TTlh № 002 приведены в таблице 1.7 [24].

Таблица 1.7 - Основные технические характеристики газотурбовоза

гт № 002

Параметры Значения параметров

1 2

Осевая формула газотурбовоза (20+20 - 20+20) + (20+20 - 20+20)

Число сцепных осей секции 8

Число секций 2

Тип передачи Электрическая, Переменно-постоянного тока

Номинальное напряжение в цепях управления и освещения, В 110

Номинальное напряжение цепей вспомогательных нагрузок, В 540

Запас топлива (полный), кг, не менее 20000

Конструкционная скорость, км/ч, не более 100

Сила тяги длительного режима, кН (тс) 775,1 (79)

После завершения цикла приемочных и эксплуатационных испытаний 17.02.2017 года прибыл на дорогу и по настоящее время успешно эксплуатируется на путях общего пользования инфраструктуры Свердловской железной дороги - филиала ОАО «РЖД», который обслуживается эксплуатационным локомотивным депо Егоршино (ТЧЭ-13) Свердловской дирекции тяги [26, 27].

Выводы к первой главе.

Зарубежный и отечественный опыт эксплуатации газотурбовозов показал, что ГТД это высоконадежные машины, удовлетворяющие требованиям для транспортных средств, использующихся на железной

дороге. К недостаткам следует отнести очень низкую тепловую экономичность ГТД.

Низкая тепловая экономичность ГТД, частично компенсируется за счет возможности использовать газотурбовозами более дешевого вида топлива.

Дальнейшее увеличение привлекательности использования газотурбовозов на сети железных дорог связано с решением задачи повышения энергетической эффективности газотурбинных локомотивов путем совершенствования способов и алгоритмов управления их силовыми установками.

Достижения поставленной цели обеспечивается решением следующих

задач:

- исследования основных физических процессов преобразования энергии газа в электромагнитную энергию в системе газовая турбина -генератор и управление ею;

- исследования электромагнитных процессов в тяговом электроприводе газотурбинных локомотивов серии ГТ^ в различных режимах его работы;

- исследования работы алгоритмов управления силовыми установками газотурбинных локомотивов;

- разработка алгоритмов управления силовыми установками газотурбинных локомотивов, которые повышают экономичность работы газовой турбины;

- проведение экспериментальных исследований функционирования разработанных алгоритмов управления силовыми установками газотурбовозов серии ГТ^ № 001 и 002.

Сформулированные задачи решаются с использованием:

- математических методов теории автоматического управления, цифровой обработки сигналов, основ электромеханического преобразования энергии в синхронных электрических машинах и машинах постоянного тока, основ электротехники;

- математического моделирования сложных электромеханических систем с реализацией в МАТЬАВ;

- статистических методов обработки экспериментальных данных полученных в ходе эксплуатации газотурбовозов серии ГТ^ №№ 001, 002 на путях общего пользования инфраструктуры Свердловской железной дороги -филиала ОАО «РЖД».

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИЛОВОЙ ЭНЕРГИТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ГАЗОТУРБИННОГО

ЛОКОМОТИВА

Модель - это упрощенная система, отражающая отдельные стороны явлений изучаемого объекта [28, 29].

Объектом моделирования в нашем случае является силовая энергетическая установка газотурбинного локомотива. Функциональная схема силовой энергетической установки газотурбинного локомотива представлена на рисунке 2.1.

Природный газ

Объединенный регулятор мощности и частоты ГТД

Рис. 2.1. - Функциональная схема силовой энергетической установки

газотурбинного локомотива

Выделим основные элементы схемы и связь между ними. Объектом регулирования частоты вращения пст является вращающаяся масса силовой

установки, состоящей из газотурбинного двигателя и тягового синхронного генератора. Крутящий момент Мст создается силовой турбиной газотурбинного двигателя. Выходной параметр «Синхронного генератора» -электромагнитный момент Мг. Входной величиной «Газотурбинного двигателя» является расход природного газа Gт, который равен сумме заданных расходов топлива по заданной мощности вы и по заданной частоте оборотов вала силовой турбины Оп «Газотурбинного двигателя», которые в свою очередь являются выходными параметрами «Объединённого регулятора мощности и частоты ГТД» и входными для функционального блока «Система подачи топлива». Выходными параметрами «Газотурбинного двигателя» являются: частота вращения вала турбин компрессоров низкого и высокого давления пнд, пвд; частота вращения вала силовой турбины пст; температура за свободной турбиной tст.

Система турбина-генератор газотурбинного локомотива может быть описана следующим дифференциальным уравнением:

где:

пст - мгновенная частота вращения системы турбина-генератор; J - момент инерции системы турбина-генератор; Мст - крутящий момент силовой турбины; Мг - электромагнитный момент генератора.

Математическая модель силовой энергетической установки газотурбинного локомотива включает в себя следующие составные части:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Грачев Николай Валерьевич, 2022 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. - Утв. распоряжением Правительства РФ от 28.08.2003 № 1234-р. - URL: http://www.energystrategy.ru/projects/ES-28_08_2003.pdf (дата обращ.: 10.09.2020).

2. Руденко В.Ф. Газотурбовоз ГТ1 на альтернативном моторном топливе СПГ / Руденко В.Ф., Воронков А.Г., Стальнов Е.Ю. // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. - № 5. - С. 63-65.

3. Государственная программа Российской Федерации "Развитие транспортной системы". - Утв. постановлением Правительства РФ от 15.04.2014 № 319. - URL: http://gov.garant.ru/document?id=71743998&byPara=1 (дата обращ. :

10.09.2020).

4. Комплексный план мероприятий по расширению использования природного газа в качестве моторного топлива. - Утв. заместителем председателя правительства РФ А. В. Дворковичем от 14.11.2013 № 6819-П9. - URL: http://static.government.ru/media/files/Us81CAyYK37IjT3ZRgMo847tSFAxBasU .pdf (дата обращ.: 10.09.2020).

5. Об энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года. - Утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 11.02.2008 года № 269р. - URL: http://www. https://company.rzd.ru/ru/9353/page/105104?id=35#6745 (дата обращ.:

10.05.2021).

6. Бартош, Е. Т. Газотурбовозы и турбопоезда/ Е. Т. Бартош. - М.: Транспорт, 1978. - 311с.

7. Lloyd E. Stagner. Union Pacific motive power in transition, 19301960 - David City, NE: South Platte Press, 1993.

8. Bernard G. F. TGV // Revue Générale des CHEMINS DE FER. -1972. - май - с. 379-402.

9. Michel Barberon. 30 ans de TGV. Vol. 1. - Paris: La vie du rail, 2011. - 352 p.

10. Бартош, Е. Т. Газовая турбина на железнодорожном транспорте/ Е. Т. Бартош. - М.: Транспорт, 1972. - 144 с.

11. Раков, В. А. Локомотивы отечественных железных дорог (1956— 1975 гг.)/ В. А. Раков. — М.: Транспорт, 1999. — 443 с.

12. Демидов, В. П., Мейлихов, М. Е. Газотурбинный локомотив Коломенского завода // Электр. и тепловоз. тяга. - 1963. - №11. - с. 4-6.

13. Павлов, С. Ф. Пассажирский газотурбовоз ГП1 // Электр. и тепловоз. тяга. - 1965. - №7. - с. 28.

14. Мейлихов, М. Е., Митрофанов, И. М. Результаты эксплуатационных испытаний газотурбовоза Г1-01 // Вестник ВНИИЖТ. -1963. - №4. - с. 3-8.

15. Шапиро, С. Г. Опыт эксплуатации газотурбовозов // Ж.-д. транспорт. - 19-1. - №5. - с. 26-29.

16. Кижнер Д. Л., Руденко В. Ф. Разработка и изготовление первого в мире магистрального грузового газотурбовоза работающенго на сжиженном природном газе // Техника железных дорог: журнал. М.: Институт проблем естественных монополий, 2008. - сентябрь (№3). - С. 49-53.

17. Букин В. А. Модернизация системы автоматического управления магистрального газотурбовоза на сжиженном природном газе // Динамика и виброакустика : журнал. — Самара, 2014. — Т. 1, № 2. — С. 13—19.

18. Иоффе А. Г., Иоффе Ю. А. Опытная поездка газотурбовоза // Локотранс: журнал. - Москва, 2009. - март (№147). - С. 5-7.

19. Руденко В. Ф. Испытания газотурбовоза ГТ1 проходят в срок и успешно // Техника железных дорог : журнал. — Москва: Институт проблем естественных монополий, 2009. — Май (№ 6). — С. 79—81.

20. Газотурбовоз ГТ1^001. Руководство по эксплуатации. ГТ1.00.000.000 РЭ. Часть 1: - Коломна: ОАО «ВНИКТИ», 2015. - 274 с.

21. Букин В. А., Руденко В. Ф. Структурная и параметрическая отработка топливной системы магистрального газотурбовоза с криогенным поршневым насосом СПГ и ресивером // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета : журнал. — Самара, 2011. — Март (№ 27). — С. 78—81.

22. Буйносов А. П., Лаптев С. И., Цихалевский И. С. Организация эксплуатации, обслуживания и ремонта газотурбовозов ГТ^ // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения : журнал. — Екатеринбург: Уральский государственный университет путей сообщения, 2018. — № 3 (39). — С. 43—55.

23. Коссов В. С., Сазонов И. В. Основные направления совершенствования проектирования и производства локомотивов, позволяющие снизить стоимость их жизненного цикла // Бюллетень объединнённого учёного совета ОАО «РЖД» : журнал. — Москва: Селадо, 2016. — № 5. — С. 5—7.

24. Газотурбовоз ГТ1^002. Руководство по эксплуатации. rT1h.00.000.000 РЭ. Часть 1: - Коломна: ОАО «ВНИКТИ», 2015. - 182 с.

25. Технико-экономическое обоснование газотурбовоза ГТ1^002 по результатам подконтрольных эксплуатационных испытаний. - Коломна: ОАО «ВНИКТИ», 2016. - 64 с.

26. Буйносов А. П., Лаптев С. И., Антропов С. Н. Организация эксплуатации газотурбинных локомотивов // Научно-технический вестник Поволжья : журнал. — Казань, 2018. — № 8. — С. 10—13.

27. Пышный И. М., Русаков А. Г. Локомотивы нового поколения, эксплуатирующиеся на сжиженном природном газе // Инновационный транспорт : журнал. — Екатеринбург: Уральский государственный университет путей сообщения, 2014. — № 2 (12). — С. 28—30.

28. Понамарев, В.Б. Математическое моделирование технологических процессов: курс лекций / В.Б. Понамарев, А.Б. Лошкарев. -Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. - 129 с.

29. Звонарев, С.В. Основы математического моделирования: учебное пособие / С.В. Звонарев. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2019. - 112 с.

30. Гольберг, Ф. Д Математические модели газотурбинных двигателей как объектов управления: учебное пособие/ Ф. Д. Гольберг, А. В. Батенин. - М.: МАИ, 1999. - 80 с.

31. Кузмечев, В. С. Формирование виртуальной модели рабочего процесса газотурбинного двигателя в САЕ-системе «АСТРА» / Кузьмичев В. С., Кулагин В. В., Крупенич И. Н., Ткаченко А. Ю., Рыбаков В. Н. // Электронный журнал «Труды МАИ». - 2013. - № 67 - 15 с.

32. Зысин, Л. В. Парогазовые и газотурбинные тепловые электростанции / Л. В. Зысин. - СПб.: Издательство Политихнического университета. 2010. - 368 с.

33. Санчугов, В. И. Автоматика и управление энергетическими установками с газотурбинным приводом: учебник / В. И. Санчугов, Е. В. Шахматов. - Самара: Издательство Самарского университета, 2017. - 260 с.

34. Двигатель газотурбинный НК-361. Руководство по эксплуатации. 361.000.000 РЭ: - Самара.: ПАО «Кузнецов», 2017. - 364 с.

35. Комаров, О. В. Тепловые и газодинамические расчеты газотурбинных установок: учебно-методическое пособие/ О. В. Комаров, В. Л. Блинов, А. С. Шемякинский. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2018. -164 с.

36. Иноземцев, А. А. Газотурбинные двигатели: учебное пособие/ А. А. Иноземцев, В. Л. Сандрацкий. - Пермь: Издательство ОАО «Авиадвигатель, 2006 - 1206 с.

37. Акимов, В. М. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей: учебное пособие/ В. М. Акимов, В. И. Бакулев, Р. И. Курзинер и др.; под редакцией С. М. Шляхтенко. - М.: Машиностроение, 1987. - 568 с.

38. Арбеков, А. Н. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок: учебное пособие для вузов/ А. Н. Арбеков, А. Ю. Вараксин, В. Л. Иванов, Э. А. Манушин и др.; под общ. ред. А. Ю. Вараксина. — 4-е изд., испр. — М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 — 678 с.

39. Черных, И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB. SimPowerSystems и Simulink/ И. В. Черных. - М.: ДМКПресс, 2007. - 288 с.

40. Герман-Галкин, С. Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК: учебник/ С. Г. Герман-Галкин. - СПб.: КОРОНА-Век, 2008. - 368 с.

41. Меркурьев, Г. В. Устойчивость энергосистем. Расчеты: Монография/ Г. В. Меркурьев, Ю. М. Шаргин. - СПб.: НОУ "Центр подготовки кадров энергетики", 2006. - 376с.

42. Зубков, Ю. В. Синхронные электромеханические преобразователи. Часть 1: учеб.-метод. пособие / Ю. В. Зубков. - 2-е изд. -Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013. - 102 с.

43. Кобозев, В. А. Электрические машины. Часть 2. Электрические машины переменного тока: учебное пособие / В. А. Кобозев - Ставрополь: Сервисшкола, 2015. - 208 с.

44. Ванштейн, Р. А. Математические модели элементов электроэнергетических систем в расчетах установившихся режимов и переходных процессов: учебное пособие / Р. А. Ванштейн, Н. В. Коломиец, В. В. Шестаков. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - 115 с.

45. Полонский, В. И. Автоматизированные гребные электрические установки / В. И. Полонский, А. В. Хайкин. - М.: Транспорт, 1976. - 431 с.

46. Хайкин, А. В. Автоматизированные гребные электрические установки. Изд. 4-е, перераб. и доп.: учебник для вузов / А. В. Хайкин, В. И. Васильев, В. И. Полонский. - М.: Транспорт, 1986. - 424 с.

47. Колесников, А. А. Синергетические методы управления сложными системами: Энергетические системы / А. А. Колесников, Г. Е. Веселов, А. Н. Попов, А. А. Кузьменко, М. Е. Погорелов. - М.: Либроком, 2013. - 248 с.

48. Терехин, В. Б. Моделирование систем электропривода в Simulink (МайаЬ 7.0.1): учебное пособие/ В. Б. Терехин. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - 292 с.

49. Копылов, И. П. Математическое моделирование электрических машин: учебное пособие/ И. П. Копылов. - М.: Высшая школа, 2001. - 327 с.

50. Аристов, А. В. Математическое моделирование в электромеханике: учебное пособие/ А. В. Аристов, Л. К. Бурулько, Л. А. Паюк. - Томск: ГОУ ПВО ТПУ, 2005, - 155 с.

51. Кобозев, В. А. Электрические машины. Часть 1. Машины постоянного тока. Трансформаторы: учебное пособие / В. А. Кобозев. -Ставрополь: Сервисшкола, 2015. - 200 с.

52. Поляков, В. Н. Математические модели двигателей постоянного тока для задач управления: учебное пособие / В. Н. Поляков, Р. Т. Шрейнер. - Екатеринбург: УГТУ, 1999. - 161 с.

53. Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического управления/ В. А. Бесекерский, Е. П. Попов. - СПб.: Профессия, 2003. - 752 с.

54. Поляков, К. Ю. Основы теории автоматического управления: учебное пособие/ К. Ю. Поляков. - СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2012. — 234 с.

55. Дядик, В.Ф. Теория автоматического управления: учебное пособие/ В. Ф. Дядик, С. А. Байдали, Н. С.Криницын. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011 - 196 с.

56. Щербаков, В. С. Основы моделирования систем автоматического регулирования и электротехнических систем в среде МА^АВ и SIMULINK: учебное пособие/ В. С. Щербаков, А. А. Руппель, В. А. Глушец. - Омск: СибАДИ, 2003. - 160 с.

57. Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники. Часть 2: Учебное пособие/ Г. С. Зиновьев. - Новосибирск.: НГТУ, 2000. - 197 с.

58. Павлов, Г. М. Автоматика энергосистем: учебное пособие/ Г. М. Павлов, Г. В. Меркурьев; РАО «ЕЭС России», Центра подготовки кадров (СЗФ АО «ГВЦ Энергетики») - СПб.: Центра подготовки кадров (СЗФ АО «ГВЦ Энергетики»), 2001. - 387с.

59. Якушев, А. Я. Автоматизированные системы управления электрическим подвижным составом: учеб. Пособие/ А. Я. Якушев. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016 - 302 с.

60. Борисов, П. А. Расчет и моделирование выпрямителей. Часть 1: учебное пособие / П. А. Борисов, В. С. Томасов. - СПб: СПб ГУ ИТМО, 2009.- 169 с.

61. Зайцев, А. И. Силовая промышленная электроника. Часть 1: учебное пособие / А. И. Зайцев, А. С. Плехов. - Воронеж: Изд-во «Научная книга», 2007. - 128 с.

62. Мита, Ц. Введение в цифровое управление: перевод с японского/ Ц. Мита, С. Хара, Р. Кондо; перевод А. М. Филатова. - М.: Мир, 1994. - 256 .

63. Волгин, Л. Н. Оптимальное дискретное управление динамическими системами/ Л. Н. Волгин; под редакцией П. Д. Крутько. - М.: Наука, 1986. - 240 с.

64. Симсон, А. Э. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: учебник для вузов / А. Э. Симсон, А. З. Хомич, А. А. Куриц и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт. - 1987. - 536 с.

65. Володин, А. И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания / А. И. Володин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт. - 1990. - 256 с.

66. Масленников, М. М. Газотурбинные двигатели для вертолетов / М. М. Масленников, Ю. Г. Бехли, Ю. И. Шальман. - М.: Машиностроение. -1969. - 368 с.

67. Григорьев, В. А. Вертолетные газотурбинные двигатели / В. А. Григорьев, В. А. Зрелов, Ю. М. Игнаткин и др. - М.: Машиностроение. - 2007. - 490 с.

68. Уваров, В. В. Газовые турбины и газотурбинные установки. Учебное пособие для машиностроительных вузов и факультетов / В. В. Уваров. - М.: Высшая школа. - 1970. - 320 с.

69. Цанев, С. В. Газотурбинные и парогазовые установки электростанций: учебное пособие для вузов / С. В. Цанев, В. Д. Буров, А. Н. Ремезов. - М.: Издательство МЭИ. - 2002. - 584 с.

70. Отчет по проведению тягово-энергетических испытаний для проверки возможности вождения грузовых поездов массой до 9000 т при следовании с газотурбовозом TT1h-002 на участке Сургут - Войновка: ТЭЛ 076-0302015 / ОАО «РЖД», Свердловская дирекция тяги. - Екатеринбург, 2016. - 35 с.

71. Грачев, Н. В. Анализ мероприятий по повышению энергоэффективности газотурбовозов / Н. В. Грачев // Известия трансиба. -2020. - №2(42) - с. 35-44.

72. Зудилова, Т. В. Работа пользователя в Microsoft Excel 2010 / Т. В. Зудилова, С. В. Одиночкина, И. С. Осетрова, Н. А. Осипов. - СПб.: НИУ ИТМО. - 2012. - 87 с.

73. Вадзинский, Р. Н. Статистические вычисления с среде Excel / Р. Н. Вадзинский. - М.: Питер. 2008. - 602 с.

74. Программа ЭСУД - тестер для газотурбовоза ГТ1^001. Руководство оператора. 643.00212251.50 5400 137 - 01 34 01: - Коломна: ОАО «ВНИКТИ», 2014. - 24 с.

75. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: Федеральный закон от 23.11.2009 N 261-ФЗ // Собрание законодательства. - 2009. - №48. - стр. 5711.

76. Пилипенко, Н. В. Энергосбережение и повышение энергитической эффективности инженерных систем и сетей. Учебное пособие / Н. В. Пилипенко, И. А. Сиваков. - СПб: НИУ ИТМО. - 2013. -274 с.

77. Гапанович, В. А. Энергосбережение на железнодорожном транспорте: учебник для вузов / В. А. Гапанивич, В. Д. Авилов, Б. А. Аржанников и др; под ред. В. А. Гапановича. - М.: Изд. Дом МИСис. - 2012. - 620 с.

78. Постол, Б. Г. Тяга поездов : учебное пособие / Б. Г. Постол, Е. Н. Кузмичев. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС. - 2011. - 74 с.

79. Френкель, С. Я. Техника тяговых расчетов: пособие / С. Я. Френкель. - Гомель: БелГУТ. - 2005. - 80 с.

80. Цирельман, Н. М. Техническая термодинамика: учебное пособие. 2-е изд., доп / Н. М. Цирельман. - СПб: Изд-во «Лань». - 2018. - 352 с.

81. Ерофеев, В. Л. Теплотехника. Том 1. Термодинамика и теория теплообмена: учебнок для вузов / В. Л. Ерофеев, А. С. Пряхин, П. Д. Семенов; под ред. В. Л. Ерофеева, А. С. Пряхина. - М.: Изд-во Юрайт. -2020. - 308 с.

82. Дробчик, В. В. Теоритическая механика. Часть 1: учебное пособие / В. В. Дробчик, М. П. Шумский, В. А. Дубовик, Ф. А. Симанкин. -Томск: Изд-во Томского политехнического университета. - 2010. - 116 с.

83. Макеев, А. П. Теоритическая механика: учебник для университетов / А. П. Макеев. - М: ЧеРо. - 1999. - 572 с.

84. Луков, Н. М. Автоматические системы управления локомотивов: учебник для вузов ж. д. транспорта / Н. М. Луков, А. С. Космодамианский. -М.: Изд-во ГОУ УМЦ ЖДТ, 2007. - 429 с.

85. RU 2009 148 436 А. Способ регулирования электрической тяговой передачи тепловоза / Ю. В. Бабков, Н. В. Грачев, Ю. И. Клименко, Е. Г. Суркова, А. П. Троицкий.

86. Бабков, Ю. В. Автоматизация локомотивов: учебное пособие для студентов вузов железнодорожного транспорта / Ю. В. Бабков, Ф. Ю. Базилевский, А. В. Грищенко; под ред. А. В. Грищенко. - М.: Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. -2007. - 322 с.

87. Черноруцкий, И. Г. Методы оптимизации в теории управления: Учебное пособие/ И. Г. Черноруцкий. - СПб.: Питер, 2004. - 256 с.

88. Сазыкин, В.Г. Оптимизации систем энергоснабжения: учебное пособие для вузов/ В. Г. Сазыкин, А. Г. Кудряков. - Краснодар: КубГАУ. -2017 - 210 с.

89. Краснова, С. А. Каскадный синтез наблюдателей состояния динамических систем/ А. С. Краснова, В. А. Уткин; под редакцией А. П. Курдюкова. - М.: Наука, 2006. - 272 с.

90. Коровин, С. К. Наблюдатели состояния для линейных систем с неопределенностью / С. К. Коровин, В. В. Фомичев. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 224 с.

91. Кулагин, В. В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: учебник. 4 е изд., испр. В 2 кн. Кн. 1 Основы теории ГТД. Рабочий процесс и термогазодинамический анализ / В. В. Кулагин, В. С. Кузмичев. - М.: Инновационное машиностроение, 2018 -336 с.

92. Магистральный газотурбовоз мощностью 8300 кВт. Отладка систем регулирования газотурбинного двигателя при работе на режимах частичного и полного нагружения. Реостатные испытания силового блока газотурбовоза на сжиженном природном газе со снятием нагрузки: отчет о НИР; И-06-08 / ОАО «ВНИКТИ». - Коломна, 2008. - 74 с.

93. Михалевич, В. С. Вычислительные методы выбора оптимальных решений / В. С. Михалевич, Н. З. Шох, Л. А. Галустова и др. - К.: Наук. думка, 1977. - 178 с.

94. Михалевич, В. С. Методы последовательной оптимизации в дискретных сетевых задачах оптимального распределения ресурсов / В. С. Михалевич, А. И. Кукса. - М.: Наука. - 1983. - 207 с.

95. Линник, Ю. В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений / Ю. В. Линник. -Л.: Физматгиз, 1962. - 352 с.

96. Коломиец, Л. В. Метод наименьших квадратов: метод. указания / Л. В. Коломиец, Н. Ю. Поникарова. - Самара: изд-во Самарского университета, 2017. - 32 с.

97. Technical passport of reciprocating pump: BE 5755/1 // Files Cryomec AG. - Swetzerland. - P. 2.

98. Дозатор газа взрывозащищенный ДГВ-В. Руководство по технической эксплуатации 2655 РЭ. - М.: ОАО «МПО им. И. Румянцева», 2005. - 51 с.

99. Дозатор газа взрывозащищенный ДГВ-3ВЦ. Паспорт 2655-2-01 ПС. . - М.: ОАО «МПО им. И. Румянцева», 2009. - 11 с.

100. Рузин А. И., Чернобривец А. П. Сысоев В. Г. Методика расчета расхода газа, проходящего через щели различной формы // Науковi пращ: журнал. — Юев, 2004. —Техногенна безпека № 18 (Том 31). — С. 96—99.

101. Самойлович, Г. С. Гидрогазодинамика: учебник для вузов / Г. С. Самойлович. - М.: Машиностроение. - 1990. - 383 с.

102. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов. Вторая редакция. М., Экономика, 2000. - 421 с.

103. Методические рекомендации по обоснованию эффективности инноваций на железнодорожном транспорте, утвержденные 26.04.1999г. № ЦТехО-11. М., 1999 - 230 с.

104. Методика оценки технико-экономической эффективности внедрения ресурсосберегающих технологий и их влияния на сокращение эксплуатационных расходов. М., МПС РФ, ВНИИЖТ,1998г.

Приложение 1

Газотурбинный двигатель НК-361

Внешний вид газотурбинного двигателя НК-361 представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Газотурбинный двигатель НК-361

Конструкция двигателя НК-361 представлена на рисунке 2.

/ 7 3^ 5 6 7 8 9

Рис. 2. Конструкция газотурбинного двигателя НК-361: 1 - входное устройство; 2 - компрессор низкого давления; 3 - компрессор высокого давления; 4 - камера сгорания; 5 - турбина высокого давления; 6 - турбина низкого давления; 7 - силовая турбина; 8 - топливно-газовый теплообменник; 9 - выходное устройство; 10 -рама двигателя; 11 - разгрузочное устройство

Из воздухоочистительного устройства воздух поступает во входное устройство двигателя. Входное устройство предназначено для плавного и безотрывного подвода воздуха к компрессору низкого давления двигателя.

Перед компрессором низкого давления размещена передняя опора, заимствованная с базового двигателя НК-25, у которой силовые ребра установлены под углом 30 . С целью обеспечения безударного обтекания ребер перед опорой установлен предвходной направляющий аппарат.

Компрессор низкого давления выполнен осевым, дозвуковым, пятиступенчатым. Для обеспечения устойчивой работы при переменных режимах в компрессоре имеется пояс перепуска воздуха из-за третьего рабочего колеса.

Между компрессорами низкого и высокого давлений располагается средняя опора, являющаяся основным силовым элементом двигателя. Внутренний корпус средней опоры является частью газовоздушного тракта, образованного профилированными поверхностями и ребрами. Во внутреннем корпусе средней опоры установлен радиально-упорный подшипник, а в крышке - роликовый подшипник. На наружном корпусе средней опоры установлены подвеска двигателя, коробки приводов и детали внешней обвязки.

Компрессор высокого давления - осевой дозвуковой, семиступенчатый.

Компрессор снабжен клапанами перепуска, открывающимися на режимах запуска. Клапаны остаются открытыми до режима малого газа для обеспечения раскрутки ротора. На статоре компрессора высокого давления выполнены лючки для осмотра лопаточной части ротора оптическим прибором.

Камера сгорания - кольцевая с использованием в качестве топлива природного газа.

Камера сгорания состоит из наружного и внутреннего корпусов, жаровой трубы, горелок и двух топливных коллекторов. Воспламенение

топлива в камере сгорания осуществляется двумя воспламенителями факельного типа.

Силовая турбина - двухступенчатая предназначена для привода тягового генератора. Опора турбины является силовой частью двигателя и включает в себя наружный корпус, внутренний корпус, корпус подшипников и сопловые лопатки.

На выходе из силовой турбины установлено разгрузочное устройство.

Разгрузочное устройство служит для обеспечения допустимого осевого усилия на опорный подшипник ротора силовой турбины. В разгрузочное устройство монтируется теплообменник - газификатор сжиженного природного газа. На наружном корпусе разгрузочного устройства расположены элементы задней подвески двигателя.

За разгрузочным устройством располагается выхлопное устройство с шумоглушением. Выхлопная система служит для отвода отработанных газов от двигателя и включает в себя выхлопную улитку и шумоглушитель. Шумоглушитель представляет собой прямоугольный канал с равномерно расположенными в нем пакетами с /-гофром.

Продувочный контур состоит из оболочек, которые являются силовыми элементами и одновременно служат тепловым экраном.

Генератор синхронный тяговый ГСТ-7500/8150-5400-2У2.

Генератор синхронный тяговый ГСТ-7500/8150-5400-2У2, предназначен для питания через выпрямительную установку коллекторных тяговых электродвигателей и преобразователя собственных нужд.

Род тока тягового генератора - переменный, трехфазный.

Номинальные значения параметров тягового генератора, соответствующие их работе на магистральном грузовом газотурбовозе при

температуре наружного воздуха плюс 40 °С, указаны в таблице 1.

Таблица 1. - Номинальные значения параметров тягового генератора

Наименование параметра Норма

Продолжитель ный режим Часовой режим

1 2

Номинальная активная мощность, кВт 7500 8150

Номинальная полная мощность, кВА 7998 8848

Номинальное линейное напряжение, В 416 623

Номинальный ток статора, А 2x5550 2x4100

Коэффициент мощности, соsф 0,92

Частота переменного тока, Гц 90

Частота вращения, мин-1 5400

Коэффициент полезного действия, % 96,5

Номинальное напряжение возбуждения, В 137 135

Номинальный ток возбуждения, А 283 278

Расход масла на опорно-упорный подшипник, л/мин 29

Продолжение таблицы 1

1 2

Расход масла на опорный подшипник, л/мин 15

Давление масла на входе в подшипники, МПа 0,1

Класс нагревостойкости изоляции: обмотки статора обмотки ротора F Н

Масса фундаментной плиты, кг 2100

Масса генератора, кг 11020

Генератор выполнен с одним рабочими концом вала, который через муфту соединяется с валом газотурбинного двигателя. С противоположной стороны на фундаментной плите установлен щеточно-контактный аппарат узел закрытый защитным кожухом (рисунок 1).

Рис. 1 - Общий вид генератора вдоль оси ротора (на фундаментной

плите)

Возбуждение генератора - независимое через контактные кольца. Генератор выполняется с боковым расположением выводов (рисунок

Рис. 2. - Общий вид генератора поперек оси ротора (на фундаментной

плите)

Возбуждение генератора - независимое через контактные кольца. Щеточно-контактный аппарат установлен на фундаментной плите агрегата, закрыт защитным кожухом

Каждая отдельная обмотка статора генератора (рисунок 3) имеет четыре выводных конца. Линейные выводы и нулевой вывод для отдельной обмотки статора выполнены с левой стороны корпуса статора генератора, если смотреть со стороны привода.

Первая обмотка сторона возбуждения Вторая обмотка сторона привода Рис. 3. - Принципиальная электрическая схема соединения обмоток

Технические параметры тягового синхронного генератора ГСТ-7500/8150-5400-2У2 представлены в таблице 2.

Таблица 2. - Технические параметры тягового синхронного генератора

Наименование параметра Значение

1 2

1.1 Параметры обмотки статора

Число фаз 6 (две трехфазные звезды со сдвигом на 30 эл. град.)

Активное сопротивление фазы обмотки статора при расчетной температуре 115°С R1(П5), Ом 0,000297

Индуктивность рассеяния Lc, Гн 0,0142*10-3

Индуктивность по продольной оси, приведенная к статору Ld, Гн 0,2653*10-3

Индуктивность по перечной оси, приведенная к статору Lq, Гн 0,2653*10-3

Продолжение таблицы 2

1 2

1.2 Параметры обмотки ротора

Активное сопротивление обмотки возбуждения Ом 0,000238

Индуктивность рассеяния Lf, Гн 0,6134*10-5

1.3 Приведенные параметры демпферного контура

Активное сопротивление демпферного контура

по продольной оси, приведенное к статору Rkd, 0,04527

Ом

Активное сопротивление демпферного контура

по поперечной оси, приведенное к статору Rkq, 0,004764

Ом

Индуктивность демпферного контура по продольной оси, приведенная к статору Lkd, Гн 0,004762*10-3

Индуктивность демпферного контура по поперечной оси, приведенная к статору Lkq, Гн 0,01156*10-3

Примечание: Специальная демпферная обмотка на роторе тягового

генератора отсутствует. Расчётные значения активных сопротивлений и

индуктивностей Rkd, Rkq, Lkd, Lkq приведены для эквивалентного

демпферного контура, образованного поверхностным слоем

ферромагнитного ротора и пазовыми клиньями.

Тяговый электродвигатель ЭДУ-133П.

На газотурбовозе установлено 16 тяговых электродвигателей ЭДУ-133П (по 8 электродвигателей на каждой секции газотурбовоза). Класс изоляции обмоток главного полюса, добавочного полюса, якоря, компенсационной обмотки - F. Основные технические характеристики ТЭД отражены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные технические характеристики ТЭД

Наименование параметра Номинальные данные В режиме работы газотурбовоза

Мощность механическая, кВт 414 418

Напряжение на коллекторе, В 506/780 540/780

Ток якоря, А 890/577 830/577

Максимальный ток при трогании, А 1130 1130

Частота вращения , мин-1 600/2320 675/2320

Расход вентилируемого воздуха, м3/с, не менее 1,3 1,3

КПД, % 92 92,9

Сопротивление обмоток постоянному току при температуре 20 °С, Ом - якоря - главных полюсов - добавочных полюсов 0,0116 0,00675 0,00641

Масса, кг 2950

Регулятор тока РТ2-01.

Регулятор тока РТ2-01 предназначен для преобразования постоянного входного (питающего) напряжения 540В в постоянное регулируемое (посредством широтно-импульсной модуляции) выходное напряжение, подаваемое на вход обмотки возбуждения синхронного тягового генератора. Основные электрические параметры регулятора тока приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные электрические параметры регулятора тока РТ2

Наименование параметра Величина параметра

Входное питающее напряжение постоянное

Номинальное входное напряжение, В 540

Максимальное входное напряжение, В 700

Номинальный входной ток, А 800

Количество выходных каналов 2

Максимальный ток каждого канала, А 1000

Номинальная частота коммутации, Гц 1000

Система управления.

Система управления - это электронная вычислительная машина (ЭВМ), построенная на базе одноплатного компьютера РС-680 фирмы Octagon Systems, обладающего архитектурой высокопроизводительного IBM PC совместимого компьютера, конструктивным исполнением повышенной прочности, расширенным набором функций ввода/вывода, высокоэффективной видеоподсистемой и предназначено для реализации алгоритмов управления системами газотурбовоза.

Управление ИУ (передача сигналов управления) осуществляется в цифровом формате по CAN-интерфейсу.

Для приема текущей информации с ДИ устройство обработки информации обеспечивает:

- прием дискретных сигналов по ста двадцати восьми каналам;

- прием частотных сигналов по восьми каналам с диапазоном частот от 0,01Гц до 4000Гц;

- прием аналоговых сигналов по шестидесяти одному каналу при этом:

а) двадцать шесть токовых сигналов 4-20 мА;

б) восемнадцать токовых сигналов 0-5 мА;

в) восемь токовых сигналов 0-50 мА;

г) девять токовых сигналов 0-20 мА.

Приложение 2

Данные поездок газотурбовоза ГТ1^001

Таблица 1 - Данные поездок газотурбовоза ГТ1^001 за период эксплуатации с января по июль 2013 года.

Дата Маршрут следования Вес поезда, тонн Пробег, км Расход СПГ, кг

25.01.13 Алапаевск - Егоршино 2656 60 2136

01.02.13 Егоршино - Алапаевск 4580 60 2100

08.02.13 Егоршино - Алапаевск 4666 60 1730

08.02.13 Алапаевск - Егоршино 6640 60 2591

22.02.13 Егоршино - Мугайское 5276 105 3103

08.03.13 Егоршино - Алапаевск 4738 60 1704

08.03.13 Алапаевск - Егоршино 4766 60 2659

10.03.13 Егоршино - Алапаевск 4762 60 1755

17.05.13 Егоршино - Алапаевск 6665 60 1737

21.05.13 Егоршино - Алапаевск 6382 60 1925

24.05.13 Березит - Алапаевск 8925 157 5565

04.07.13 Егоршино - Алапаевск 2076 60 2500

10.07.13 Егоршино - Алапаевск 4240 60 2188

Таблица 2 - Данные поездок газотурбовоза ГТ1^001 с августа 2013

года.

Дата Маршрут следования Вес поезда, тонн Пробег, км Расход СПГ, кг

04.09.14 Алапаевск - Егоршино 3156 60 1526

06.09.14 Алапаевск - Егоршино 2282 60 1474

12.09.14 Егоршино - Алапаевск 4219 60 1972

13.09.14 Егоршино - Алапаевск 4281 60 1560

16.09.14 Егоршино - Серов 6133 302 7444

19.09.14 Серов - Егоршино 4092 302 6600

16.10.14 Егоршино - Алапаевск 4280 60 1645

17.10.14 Егоршино - Алапаевск 4169 60 2070

19.10.14 Егоршино - Алапаевск 6332 60 1811

22.10.14 Егоршино - Серов 6338 302 7600

23.10.14 Серов - Егоршино 5110 302 8000

25.10.14 Егоршино - Алапаевск 4277 60 1982

25.10.14 Алапаевск - Егоршино 4243 60 1928

01.11.14 Алапаевск - Серов 6338 242 5570

02.11.14 Серов - Егоршино 4752 302 6945

29.11.14 Егоршино - Серов 6534 302 6770

20.01.15 Егоршино - Серов 6773 302 7580

02.10.15 Егоршино - Серов 8157 302 7950

08.10.15 Егоршино - Серов 8518 302 9225

26.02.16 Егоршино - Серов 8453 302 9081

26.03.16 Егоршино - Серов 8623 302 9859

27.03.16 Егоршино - Серов 8903 302 9400

08.07.17 Егоршино - Серов 9112 302 9690

Приложение 3

Алгоритм управления мощностью системы турбина - генератор

с

Начало

э

Данные А

ТУст

Данные Б

ТУзад

Получение данных от датчиков частоты вращения и температуры газотурбинного двигателя и датчиков давления и температуры системы ь газоподготовки.

Вычисление свободной мощности силовой турбины газотурбинного _ двигателя (наблюдатель состояния).

Получение данных о положении контроллера машиниста и количестве ТЭД.

Расчет заданной мощности системы турбина-генератор в зависимости от свободной мощности силовой турбины газотурбинного двигателя.

Получение данных от датчиков тока ТЭД.

- Расчет заданного напряжения тягового генератора в зависимости от заданной мощности.

Ш

ЫВ1

Получение данных от датчика выходного напряжения выпрямительной установки.

Расчет заданного напряжения возбуждения тягового генератора в зависимости от заданного напряжения.

Расчет заданного напряжения возбуждения тягового генератора в зависимости от токов ограничения ТЭД.

^ Конец ^