Газотурбовоз
Газотурбовоз
В первый период распространения тепловозной тяги (1950 — 1960-е годы), когда мощности тепловозных дизелей, а, следовательно, и тепловозов (в СССР и США) не превышали 1000—1500 кВт, железные дороги заинтересовались газотурбовозами — автономными локомотивами, на которых в качестве основной (первичной) энергетической установки используется газотурбинный двигатель (ГТД). Применение компактных газовых турбин обещало получить возможность создания локомотивов существенно большей единичной мощности, чем серийные тепловозы того времени.
Первые газовые турбины. Аналогично истории паровых машин, попытки реализации газовых турбин, работающих без парокотельной установки, стали практически рассматриваться после определенного этапа развития поршневых двигателей внутреннего сгорания, хотя идеи таких лопаточных двигателей возникали еще в конце XVIII столетия.
В самом конце XIX в. и начале XX в. попытки создания газовых турбин были предприняты в Германии, России и Франции. Вплоть до 1920 г. было сконструировано несколько мощных турбин, но все они оказались несовершенны и не нашли тогда широкого применения в энергетике.
Параллельно с работами по созданию первых отечественных тепловозов, которые велись в 1920-х годах под руководством профессора Ю.В. Ломоносова и инженера-электрика Я.М. Гаккеля, инженер А.Н. Шелест (впоследствии профессор МВТУ) разрабатывал проект локомотива, в котором роль теплового генератора должен был играть поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (как механический генератор газа), а в качестве теплового двигателя могла быть предусмотрена и газовая турбина. Эта идея оказалась неработоспособной и не была реализована.
До 1940-х годов газовая турбина, как самостоятельный двигатель, не могла составить конкуренцию двигателям внутреннего сгорания. Чтобы создать экономичную газовую турбину (газотурбинный двигатель), необходимо было решить две главные задачи:
· во-первых, обеспечить в начале процесса расширения высокую температуру рабочего тела — газов. (Известно, что кпд любого теоретического цикла зависит от начальной температуры рабочего тела: чем выше температура — тем выше кпд цикла.) В ГТД уровень температуры ограничивается термической стойкостью материалов проточной части: температура продуктов сгорания может достигать 2000 °С, которую не выдерживают даже жаропрочные конструкционные материалы. Поэтому во всех современных газотурбинных двигателях и сейчас для обеспечения их необходимой долговечности приходится снижать температуру газов до значительно более низких значений (600 — 800 °С), существенно увеличивая избыток воздуха и затраты энергии на его сжатие и подачу;
· во-вторых, создать высокоэффективные компрессоры для сжатия значительно увеличенных, по сравнению с дизелями, объемов воздуха. Величина коэффициента полезного действия компрессора и определяет эффективность всей газотурбинной установки.
Эти задачи были решены в начале 1940-х годов. В металлургии к этому времени были созданы жаропрочные сплавы, которые могут работать длительно и устойчиво при температурах до 850 — 900 °С. Созданы и многоступенчатые осевые компрессоры, кпд которых значительно увеличены—до 85 % (против 65 — 70 % в 1920-х годах). Эти работы стимулировались потребностями авиации в мощных и легких двигателях.
Рекомендуемые материалы
Применение ГТД в авиации, где с ними по мощности, компактности и весу не могли уже конкурировать поршневые ДВС, давало возможность повысить скорости полета самолетов, особенно военных, позволяло преодолеть звуковой барьер. Поэтому уже в предвоенные годы интенсифицировались работы по созданию авиационных ГТД. В послевоенное время различные виды ГТД стали основными типами авиационных двигателей. Мощные газотурбинные двигатели нашли применение и на судах в морском транспорте.
Первые газотурбовозы. Первый в мире магистральный газотурбовоз (серия 1101) мощностью 1620 кВт (2200 л.с.) был построен в 1941 г. локомотивостроительным заводом СЛМ в Винтертуре (Швейцария) и фирмой «Браун-Бовери» по заказу швейцарских железных дорог Около двух лет локомотив испытывался в эксплуатации в Швейцарии. Затем около восьми лет он использовался на французских железных дорогах. Испытания газотурбовоза показали его невысокую эффективность по сравнению с тепловозной тягой —его эксплуатационный кпд находился на уровне 7,1 —9,4 %. В 1949 г. СЛМ и «Браун-Бовери» по заказу английских железных дорог построили второй газотурбовоз (серия 1800).
В 1940 —1950-е годы в ряде стран, в том числе в Англии, США, ФРГ, ЧССР и СССР, были сделаны достаточно успешные попытки создания локомотивов с ГТД — газотурбовозов. Цель их разработки — создать автономные локомотивы большой единичной (секционной) мощности, так как в то время мощность существовавших тепловозных дизелей не превышала 1200— 1500 кВт. Были построены вполне работоспособные локомотивы, главным недостатком которых оказалась та же их невысокая (по сравнению с тепловозами) эффективность, кпд построенных газотурбовозов не превышал 16 — 18 %.
В начале 1955 г. в США на участках Огден — Омаха и Шайен — Канзас-Сити, которые отличаются тяжелым продольным профилем пути, эксплуатировались 25 газотурбовозов, построенных фирмами «Дженерал Электрик» и АЛКо.
Первый в СССР грузовой газотурбовоз серии Г1-01 мощностью 5200 кВт (7000 л.с.) был построен в декабре 1959 г. на Коломенском заводе под руководством главного конструктора завода Л.С. Лебедянского и с участием ученых МВТУ. На газотурбовозе был установлен одновальный газотурбинный двигатель без регенерации (использования) теплоты уходящих газов и применена электрическая передача постоянного тока. Пуск ГТД осуществлялся от вспомогательного дизеля.
С 1962 г. локомотив находился в опытной эксплуатации в депо Кочетовка Юго-Восточной дороги. В 1964 г. на Коломенском заводе были построены два пассажирских газотурбовоза серии ГП1 № 001 и 002 мощностью 2580 кВт каждый.
В 1965 г. пассажирские газотурбовозы направили в депо Льгов Московской дороги для опытной эксплуатации. Туда же был переведен и Г1-01. Эксплуатация газотурбовозов показала, что кпд опытных локомотивов не превышает 15 %. Удельный расход топлива составлял 90 кг на 104 т∙км брутто перевозочной работы, что было в 2,4 раза больше, чем у серийных (в то время) тепловозов ТЭЗ.
В 1973 г. в связи с прекращением работ на Коломенском заводе по газотурбовозам их опытная эксплуатация также прекратилась.
Турбопоезда и турбовагоны. Широкое распространение в Западной Европе, особенно во Франции, а также и в США, получили скоростные турбопоезда, в моторных вагонах которых, в отличие от дизель-поездов, устанавливают компактные авиационные газотурбинные двигатели. Надо отметить, что первый вариант поезда ТGV для высокоскоростного движения во Франции, требующего большой мощности, первоначально разрабатывался именно под газотурбинный двигатель.
В Советском Союзе в 1960 — 1970-х годах было выполнено несколько экспериментальных работ в этом направлении. В 1964 г. специалистами ЦНИИ МПС (ныне ВНИИЖТ) на базе моторного вагона дизель-поезда был создан опытный турбовагон. В его кузове установили отечественный авиационный двухвальный ГТД мощностью 260 кВт с электрической передачей трехфазного переменного тока. Скорость движения вагона регулировалась изменением частоты вращения вала тяговой турбины. Турбовагон прошел всесторонние испытания на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа на ст. Щербинка.
В 1970 г. были переоборудованы два моторных вагона дизель-поезда, составившие опытный турбопоезд. В отличие от первого турбовагона, использовали более мощные ГТД, а энергетическая установка (ГТД и синхронный генератор) монтировалась на крыше моторного вагона.
Калининский вагоностроительный завод (ныне — Тверской) совместно с КБ генерального конструктора по авиационной технике А.С. Яковлева и с участием специалистов ВНИИ вагоностроения построил экспериментальный турбореактивный вагон для высокоскоростного движения на базе головного вагона электропоезда ЭР22. На. крыше вагона были установлены два турбореактивных авиационных двигателя с силой тяги по 15 кН каждый. При испытаниях вагона была достигнута скорость 249 км/ч. В целом проведенные испытания подтвердили заданные характеристики турбовагона и его пригодность для использования на скоростных участках железных дорог.
Общее устройство газотурбовоза показано на рис. 7,а. Топливо (например, мазут или сжиженный природный газ) подается насосами из топливного бака в камеры сгорания 1. В эти же камеры поступает воздух, сжатый осевым компрессором 3, который в момент пуска газотурбинной установки приводится в движение от небольшого вспомогательного дизеля.
В результате горения топлива образуются газы с температурой около 2000 °С. Однако надежная работа стальных лопаток газовой турбины, как отмечалось ранее, может быть обеспечена при температуре газов не свыше 750 — 800 °С. Поэтому газ перед поступлением на лопатки газовой турбины 2 разбавляется сжатым воздухом от компрессора, на раздачу и сжатие которого затрачивается до 75 % мощности газовой турбины 2. Смесь газов с воздухом (750 — 800 °С) поступает на лопатки турбины 2 и вращает ее ротор. От газовой турбины приводятся в движение якорь генератора 4А и ротор осевого компрессора 3. После пуска ГТУ вспомогательный дизель отключается.
На газотурбовозах камеры сгорания 1, газовую турбину 2, состоящую из нескольких ступеней, и многоступенчатый осевой компрессор 3 объединяют в общий корпус и называют локомотивной газотурбинной установкой (ЛГТУ). Кпд газотурбинной установки газотурбовоза составляет 18 — 20 %.
Генератор 4А и тяговые электродвигатели 4Б (см. рис. 7,6), как и на тепловозе, выполняют функции электрической передачи. Кпд передачи составляет 75 — 80 %. Следовательно, максимальный кпд газотурбовоза может быть равным 16— 18 %, что значительно ниже, чем у тепловозной тяги. К недостаткам газотурбовозов также следует отнести большой расход топлива, особенно на частичных режимах, сложность конструкции и малую надежность в работе, необходимость длительного (несколько часов) прокручивания ротора ГТД после его выключения до полного остывания силового оборудования и, прежде всего, подшипников скольжения ГТД.
К достоинствам газотурбовозов можно отнести малые удельный вес и габариты (приходящиеся на 1 кВт мощности) газотурбинного двигателя и возможность постройки мощных автономных локомотивов секционной мощностью 10000 кВт и более, постоянную готовность к работе в сложных климатических условиях (низкие температуры, перепады атмосферного давления и т.п.) из-за отсутствия систем водяного охлаждения (как на дизеле), возможность в перспективе использования любых видов топлива.
Информация в лекции "Приложение А - Ответы тестовых заданий" поможет Вам.
Рис. 7. Схемы общего устройства и принципа работы газотурбовоза:
1 — камера сгорания; 2 — газовая турбина; 3 — компрессор; 4А — якорь генератора; 4Б — тяговые электродвигатели; 5 — колесные пары
Новые проекты. В начале XXI в. у отечественных специалистов локомотивной отрасли заметно вырос интерес к газотурбинной тяге. Это вызвано тем обстоятельством, что в последние годы тепловая экономичность авиационных ГТД и их надежность значительно повышены, что, к сожалению, трудно сказать о тепловозном отечественном дизелестроении.
В настоящее время по заданию ОАО «РЖД» специалисты ВНИКТИ разрабатывают проект магистрального газотурбовоза ГТ1 с газотурбинным двигателем мощностью 8300 кВт, работающим на сжиженном метане, и электрической передачей переменно-постоянного тока. Изготовление газотурбовоза ГТ1 предусмотрено на Воронежском локомотиворемонтном заводе.
Во ВНИИЖТе завершается разработка проекта маневрового газотурбовоза ТГЭМ10 мощностью ГТД 1000 кВт, работающего на сжатом газе, с электрической передачей. Его изготовление планируется на Людиновском заводе в 2007 — 2008 гг.
