Паротурбовоз
§ 4 ОПЫТНЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТИПЫ АВТОНОМНЫХ ЛОКОМОТИВОВ
Паровоз — исторически первый вид локомотива — практически был единственным типом на протяжении более чем 120 лет. Паровозы полностью обеспечивали движение поездов на железных дорогах всех континентов мира до середины XX в., когда после окончания второй мировой войны развитие железных дорог стало основываться на так называемых новых видах тяги: тепловозной и электрической.
На дорогах СССР коренная реконструкция тяги началась ровно 50 лет назад. Летом 1955 г. правительственными решениями основные паровозостроительные заводы страны — Луганский и Коломенский — были переориентированы на производство тепловозов и в 1956 г. начали крупносерийный выпуск тепловозов ТЭЗ в кооперации с двумя харьковскими заводами: транспортного машиностроения (ныне завод имени В.А. Малышева) и тепловозного электрооборудования (ныне «Электротяжмаш»), И в том же году эти заводы прекратили выпуск поездных паровозов.
В феврале 1956 г. был принят Генеральный план электрификации железных дорог СССР, рассчитанный на 15 лет и предусматривавший перевод на электрическую тягу 40 тыс. км основных магистралей страны (об электрической тяге — в следующем параграфе).
В течение XX в., до перехода на тепловозную тягу и даже после этого, разработчики автономных локомотивов не прекращали поиски путей повышения их эффективности, отталкиваясь от паровоза и стремясь избавиться от недостатков и сохранить его достоинства.
Паротурбовоз
Первыми реальными шагами на пути принципиального повышения энергетической эффективности паровоза были попытки создания паротурбовозов — локомотивов с паросиловой энергетической установкой. В нем самое малоэффективное звено энергетической цепи паровоза (паровая машина) заменялось более эффективным тепловым двигателем — паровой турбиной.
Первые паровые турбины. Идея паровой турбины, т.е. машины, на лопатках ротора которой кинетическая тепловая энергия сжатого пара преобразуется в механическую работу его вращения, была известна давно. Она (в примитивном виде) высказывалась еще Героном Александрийским во II в. до нашей эры. Схема такого реактивного колеса часто приводится в школьных учебниках физики. Однако эта идея смогла быть реализована только в конце XIX в., «века пара».
Работоспособная активная паровая турбина была изобретена в 1883 — 1889 гг. шведским инженером Густавом де Лавалем (1345 — 1913 гг.). Турбина первоначально предназначалась автором изобретения для привода быстроходных центрифуг (сепараторов).
Рекомендуемые материалы
Англичанин Чарльз Парсонс (1854 — 1931 гг.) практически в то же время (в 1864 — 1885 гг.) создал многоступенчатую реактивную паровую турбину, которая вскоре и стала основным типом паровых турбин с конца прошлого века.
При использовании в современной энергетике на тепловых электростанциях, где требуются двигатели очень большой мощности, такие турбины объединяют с генераторами электрической энергии на одном валу (в виде одного агрегата — турбогенератора).
Первые паротурбовозы. Попытки повысить кпд паровоза за счет замены малоэффективной паровой машины на более эффективную паровую турбину были предприняты в 1920 г. в Италии, в 1921 г, — в Швейцарии и Швеции, в 1924 — 1926 гг. в Германии и Великобритании.
Первые опыты создания локомотивов с паровой турбиной в этих странах оказались не очень удачными, главным образом, из-за отсутствия на них тяговой передачи типа тепловозной. Паровые турбины, использующие кинетическую энергию пара, работают при больших окружных скоростях на лопатках ротора (порядка 300 м/с).
Скорость же движения локомотива — величина переменная, а окружная скорость на ободьях его колес даже при конструкционной скорости движения локомотива значительно ниже, чем у турбины, Поэтому в передачах требовались значительные диапазоны преобразования частоты вращения и момента.
Рис. 6. Схема общего устройства и принцип работы паротурбовоза;
1 — топка; 2 — котел; 3 — паровая турбина; 4 — электрическая передача; 5 — колеса
Паротурбовозы середины XX в. Дальнейшее развитие турбомашиностроения позволило специалистам Великобритании в 1935 г. построить два работоспособных пассажирских паротурбовоза с секционной мощностью 2000 кВт и электрической передачей. Конструкционная скорость этих паротурбовозов — 200 км/ч.
Опытные образцы мощных паротурбовозов с электрической передачей были также построены в США, Франции, Швеции, Швейцарии и ряде других стран.
В отличие от паровозов, на этом типе локомотива (рис. 6) паровая машина с непосредственным приводом при помощи кривошипно-шатунного (дышлового) механизма заменена более экономичной паровой турбиной 3 с электрической передачей 4. В результате кпд таких паротурбовозов оказывался равным 12 — 14 %, что было в два раза больше, чем у паровоза.
Однако эксплуатация опытных паротурбовозов показала их неконкурентоспособность по сравнению с тепловозами, масштабное производство которых начиналось в середине прошлого столетия. Уровень кпд этого типа локомотивов был примерно в два раза ниже тепловозного, к тому же, у них сохранялись высокие эксплуатационные расходы, как у паровозов, связанные с экипировкой (уголь и вода), промывкой котла, чисткой топки и удалением шлака.
Последние несколько мощных паротурбовозов построили в США в начале 50-х годов прошлого века. Их появление объяснялось просто, в духе рыночной экономики. Паротурбовозы заказывала одна из железных дорог, преобладающим грузопотоком которой был каменный уголь. Руководство дороги, которая сама покупала уголь у добывающих компаний по выгодным «договорным ценам», боялось потерять своих основных клиентов. Но выдержать конкуренцию со стремительно распространявшейся тепловозной тягой, естественно, не удалось.
В СССР паротурбовозы не строили.
Теплопаровозы. Однако в СССР были созданы опытные образцы оригинального типа автономных локомотивов с паросиловой энергетической установкой — теплопаровозов, работавших на твердом топливе. Несколько таких локомотивов построили в 1930 — 1940-х годах на Луганском и Коломенском заводах по идее выпускника МЭМИИТа Л.М. Майзеля.
Суть идеи состояла в дополнении положительных тяговых свойств паровой машины паровоза, обеспечивающей возможность трогания с места без передачи, более высокой эффективностью рабочего процесса дизельного двигателя при средних скоростях движения локомотива. В результате получился новый тип автономного локомотива — гибрид тепловоза непосредственного действия (без передачи) и паровоза, который назвали теплопаровозом.
Ещё посмотрите лекцию "1.3. Особенности защиты населения" по этой теме.
Эти локомотивы, несмотря на естественные конструктивные недостатки, были вполне работоспособными. Первый из них находился в эксплуатации с 1939 по 1948 гг. и работал на Куйбышевской, Московско-Рязанской и Октябрьской дорогах.
Кпд теплопаровозов был на уровне 10 — 12 %. Работы по их совершенствованию и доводке были оставлены после распространения тепловозов, с которыми они не могли конкурировать.
Несмотря на постоянный рост в настоящее время добычи нефти и газа, в мире наблюдается острая нехватка топлива. По оценке специалистов, из всех запасов органического топлива на земле 7 % —нефть, 5 % — природный газ, 2 % — торф и сланцы. 80 % — уголь и
6 % — древесина и т.п.
Мировые энергетические кризисы, сопровождающиеся резкими увеличениями цены на нефть и нефтепродукты, подогревали и подогревают интерес локомотивостроительных фирм во многих странах мира к продолжению поисков более эффективных типов автономных локомотивов, использующих альтернативные виды топлива, в том числе и твердого.
В связи с этим многие страны мира ориентируются на возможности преимущественного использования каменного угля, из-за чего у ученых и специалистов железнодорожного транспорта вновь появляется определенный интерес к паровой тяге, но на современном техническом уровне.
