Тепловоз

Тепловоз

Как отмечалось ранее, второй путь создания экономичного локомотива заключается в замене пароэнергетической установки внешнего сгорания более эффективным тепловым двигателем — двигателем внутреннего сгорания. Наиболее пригодным для установки на локомотиве оказался двигатель, работающий по принципу, предложенному немецким инженером Рудольфом Дизелем, именуемый теперь дизелем в честь его создателя.

Итак, тепловоз — это локомотив, на котором в качестве первичной энергетической установки используется дизель. Словообразование «тепловоз» сложилось в России по типу названия паровоза. За рубежом его называют «дизельным локомотивом» — diesel locomotive (анг), Diesellokomotive (нем.), locomotive Diesel (франц.) и т.п.

К тепловозам, как к типу локомотивов, также относят специализированные виды автономного пассажирского подвижного состава, энергетическими установками которых являются дизели — моторные вагоны дизель-поездов, автомотрисы и рельсовые автобусы. Тепловоз — самый распространенный в мире тип локомотива. Из примерно одного миллиона километров магистральных железных дорог стран мира около 85 % обслуживаются исключительно тепловозной тягой.

Первые дизели. В конце 1897 г, немецкий инженер Рудольф Дизель, живший и работавший во Франции, создал двигатель внутреннего сгорания, в котором тяжелое жидкое топливо самовоспламенялось в цилиндре от высокой температуры сжатого в нем воздуха.

Рудольф Дизель, приобретя хорошее техническое образование и производственный опыт, специализировался по холодильным установкам, получил сам ряд патентов в этой области, управлял различными фабриками, выступал в роли инженера-консультанта. Он интересовался двигателями внутреннего сгорания, был в курсе новых разработок, видел их недостатки и искал пути их преодоления. В течение 10 лет работы он перепробовал ряд различных вариантов двигателей на различных видах топлива — от аммиака до угольной пыли. Остановился на тяжелом нефтяном топливе, однако для облегчения его самовоспламенения добавлял к нему при подаче в цилиндр порции более легкого топлива — газолина, на котором работали карбюраторные двигатели.

Идею нового рабочего процесса он изложил в 1892 г. в заявке на патент «Рабочий процесс и способ выполнения одноцилиндрового и многоцилиндрового двигателя» и опубликовал в Берлине в брошюре «Теория и конструкция рационального теплового двигателя». Первые опытные образцы были малоудачными, однако в 1897 г. был построен стационарный одноцилиндровый двигатель, работавший на керосине, который при частоте вращения коленчатого вала 170 об/мин развивал мощность примерно 15 кВт.

Р. Дизель создал так называемый компрессорный тип двигателя с самовоспламенением топлива (компрессорный дизель), в котором подача топлива в цилиндр через форсунку осуществлялась при помощи сжатого воздуха с давлением значительно большим давления в цилиндре в конце сжатия. Следовательно, для работы такого двигателя в составе энергетической установки требовался отдельный агрегат для сжатия воздуха — компрессор. Принцип подачи топлива, собственно, и был главным элементом в изобретении Дизеля.

Строго говоря, Р. Дизель не изобрел нового двигателя, поэтому впоследствии его патент неоднократно оспаривался. Ведь еще в 1862 г. француз Альфонс Бо де Роша в своей книге «Новые исследования над практическими условиями для большего использования тепла и, вообще, движущей силы», помимо четырехтактного цикла, упомянул не только необходимость предварительного высокого сжатия воздуха, но и теоретическую возможность обеспечения самовоспламенения топлива. Тем не менее, новый тип двигателя внутреннего сгорания стали называть именем его реального создателя — Дизеля, а идеальный воздушный цикл теплового двигателя с постепенным горением топлива (при постоянном давлении в цилиндре) в современной термодинамике также именуется «циклом Дизеля».

Рекомендуемые материалы

В 1896 г. российский специалист Г.В. Тринклер, работавший в Нижнем Новгороде, построил бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания высокого сжатия, в котором при механической (непосредственной) подаче топлива обеспечивался цикл его двухэтапного (смешанного) горения — частично как в цикле Отто, и частично как в цикле Дизеля. Тринклер, сделав заявку в 1899 г., получил патент только в 1904 г. По этому «смешанному» циклу (циклу Тринклера) и работают все современные бескомпрессорные дизельные двигатели. К сожалению, и сейчас иногда этот цикл называют именем французского инженера Сабате, который лишь спустя четыре года после Тринклера (в 1908 г.) получил в России патент на форсунку с двухэтапной подачей топлива.

Р. Дизель с помощью немецких промышленников (Круппа и др.) организовал производство двигателей по своему патенту сначала в Германии, потом во Франции, затем и в других странах. В России патентные права у Дизеля приобрел известный нефтепромышленник Э.Л. Нобель, который на своем машиностроительном заводе в Петербурге (впоследствии «Русский Дизель») организовал производство мощных дизельных двигателей, работавших на сырой нефти (первый из них был построен уже в 1899 г.). Вторым после завода Нобеля дизелестроительным предприятием в России стал Коломенский завод, где производство двигателей было начато в 1903 г.

Только с переходом на сырую нефть, осуществленным впервые отечественными заводами, двигатели с самовоспламенением топлива от высокой температуры сжатого воздуха получили признание как наиболее экономичные. Мощные дизели стали постепенно вытеснять паровые машины сначала в промышленности, а затем и на транспорте. Первыми транспортными средствами с дизельной энергетической установкой в России стали речные дизельные суда — теплоходы.

В 1903 г. Сормовским заводом был построен первый дизельный речной танкер с тремя дизельными двигателями мощностью по 120 л.с, каждый и электрической передачей на гребные винты. В 1908 г. Коломенский завод построил первый в мире морской теплоход «Дело» суммарной мощностью дизелей 1000 л.с.

Первые тепловозы. Естественно, в ряде технически передовых стран с развитием дизелестроения встал вопрос о применении дизельных двигателей в качестве энергетической установки на локомотивах. Это оказалось трудной задачей, на решение которой ученые и инженеры разных стран потратили не менее двух десятилетий.

Первая попытка построить поездной тепловоз относится к 1906 г., когда, в какой-то мере по инициативе самого Р. Дизеля, управление Прусских железных дорог заказало двум крупнейшим европейским заводам: паровозостроительному «Аугуст Борзиг» в Берлине и двигателестроительному «Братья Зульцер» в Винтертуре (Швейцария) пассажирский тепловоз с двухтактным двигателем Дизеля. В его проектировании вместе с Дизелем принимал участие известный локомотивный специалист инженер А. Клозе.

Тепловоз Р. Дизеля был построен к 1913 г. Он имел четырехцилиндровый V-образный двигатель мощностью 960 л.с., вал которого был размещен перпендикулярно продольной оси локомотива и непосредственно связан спарниками типа паровозных с его ведущими колесами. Диаметр цилиндров — 380 мм, ход поршня — 550 мм, наибольшая частота вращения вала (при скорости 100 км/ч) составляла 300 об/мин. Для разгона тепловоза (с составом) использовался сжатый воздух из резервуаров. Эксплуатационные испытания тепловоза в 1913 г. выявили ряд его существенных недостатков.

Сейчас очевидно, что в отличие от паровоза тепловоз нельзя построить без преобразовании момента вала двигателя, не имея промежуточной передачи, которая позволяет трансформировать вращающий момент, передаваемый от вала дизеля на колесные пары. Дело в том, что мощность дизельного двигателя при неизменной подаче топлива почти прямо пропорциональна частоте вращения вала. Поэтому необходимо обеспечивать возможность работы дизеля с постоянной (наибольшей для реализации его расчетной мощности) частотой вращении вала при переменной частоте вращения ведущих колес локомотива, зависящей от скорости его движения.

Другая особенность дизельного двигателя — это вообще его неспособность, в отличие от паровой машины, работать при малых частотах вращения его вала, когда при медленном процессе сжатия воздуха в цилиндре не могут быть достигнуты значения его температуры, необходимые для воспламенения топлива.

Недостатки тепловоза Дизеля были принципиальными и неустранимыми, они связаны с отсутствием передачи, о которой шла речь выше. В результате тепловоз оказывался непригодным как к курьерской службе (его мощность была пропорциональна скорости движения и когда последняя снижалась, например, на крутых подъемах, падала и мощность локомотива, и он мог остановиться с поездом), так и к пассажирской, так как при частых остановках ему просто не хватало воздуха для последующих разгонов. Его подвергали переделкам, в частности, установили на нем дополнительно вспомогательный дизель-компрессор, за счет работы которого пополнялся запас сжатого воздуха. Однако испытания продолжали сопровождаться многочисленными поломками, и после 14-й неудачной поездки тепловоз был снят с эксплуатации, попытки его совершенствования были прекращены.

Эту неудачу, или точнее, неработоспособность тепловоза непосредственного действия предвидели некоторые отечественные специалисты.

Первые проекты тепловозов в России появились в начале XX в. В 1904 г в России инженеры Владикавказской железной дороги разработали проект теплопаровоза (первое название нового локомотива было «нефтевоз») — паровоза с дополнительным дизелем, который предполагалось использовать параллельно с паровым двигателем для создания силы тяги.

В 1905 г. в Санкт-Петербурге инженер Н.Г. Кузнецов и полковник А.И. Одинцов разработали проект магистрального тепловоза с электрической передачей. Ряд технических решений этого проекта (тележечный тип локомотива, электрическая передача и др.) и сейчас используется в локомотивостроении.

В 1908 — 1913 гг. профессор Ю.В. Ломоносов и инженер А.И. Липец в г. Оренбурге (Ташкентская железная дорога) разработали проекты теплопаровоза и тепловоза с электрической передачей (1913 г.). В 1909 — 1913 гг. под руководством Ф.Х. Мейнеке на Коломенском заводе разрабатывалось несколько проектов тепловозов на разные мощности, в том числе 8-осного магистрального тепловоза мощностью 1000 л.с

В 1912 г. студент МВТУ (ныне МГТУ) А. Н. Шелест под руководством профессора В.И. Гриневецкого разработал проект тепловоза с газовой передачей. Он предполагал использовать дизельный двигатель только в качестве теплового генератора — генератора газов (высокотемпературных продуктов сгорания топлива). А в качестве теплового двигателя предусматривалась поршневая газовая машина, соединенная с ведущими осями локомотива по типу паровозной. Идея А.Н. Шелеста в какой-то мере была сходной с идеей Хельмана применить на паровозе Электрическую передачу и не могла быть осуществлена из-за неизбежно высоких потерь энергии в газовой передаче.

Позднее российские специалисты (Ю.В. Ломоносов, А.Н. Шелест и др.) проводили теоретический анализ, подтверждавший неизбежную неработоспособность тепловоза Дизеля-Клозе-Зульцера-Борзига с непосредственной передачей.

Несмотря на то, что проекты российских специалистов содержали те или иные прогрессивные технические решения и идеи, ни один из проектов по разным причинам не был реализован.

Уже в советское время, в 1920-х годах, именно отечественным специалистам удалось найти работоспособные технические решения по использованию дизельных двигателей на локомотивах, что позволило к 1925 г. построить два первых в мире поездных магистральных тепловоза. Один (тепловоз Ю^э-001) был создан по проекту группы инженеров под руководством известного в стране специалиста-тяговика профессора Ю.В. Ломоносова и построен на заводах Германии, другой (тепловоз Ю^э-002) был построен в Петрограде по проекту и под руководством опытного инженера-электрика Я.М. Гаккеля. Оба тепловоза Ю^э-001  (в последующем Э^эл-2, так как соответствовал по мощности паровозу «Э»; индекс «^эл » - электрическая передача) и Ю^э – 002 (в последующем Щ^эл – 1, соответствовал по мощности паровозу серии «Щ5») в январе 1925 г. поступили в опытную эксплуатацию на железные дороги нашей страны.

Построенный под руководством Ю.В. Ломоносова тепловоз Э^эл-2 был принят в инвентарный парк локомотивов НКПС (аналог МПС) 4 февраля 1925 г. И эта дата считается началом введения тепловозной тяги на железных дорогах России. Тепловоз Э^эл-2 работал на железных дорогах страны почти 30 лет и стал прообразом многих советских тепловозов, серийно построенных на Коломенском заводе до 1941 г. Серийные тепловозы Э^эл направлялись на Ашхабадскую железную дорогу, где был организован первый в мире участок тепловозной тяги.

Тепловоз Щ^эл-1 в 1927 г. после пробега от начала постройки около 60 тыс. км был снят с эксплуатации. Однако его удалось сохранить. В 1974 г. к 50-летию тепловозостроения Щ^эл|-1 был установлен на «вечную стоянку» в Москве у депо Ховрино Октябрьской дороги (теперь он находится в музее натурных образцов в Санкт-Петербурге).

Рис.5 Схемы общего устройства и принципа работы тепловоза:

Вместе с этой лекцией читают "42 Динамика экосистем".

1 – дизель; 2- передача (2А – генератор, 2Б – тяговые двигатели); 3 – колесные пары.

Общие принципы работы тепловоза. На тепловозе используется жидкое дизельное топливо, которое получают путем перегонки нефти. Запасы топлива на тепловозе находятся в топливном баке, из которого оно топливными насосами подается в дизель 1 (см. рисунок 5,а). В цилиндрах дизеля 1 топливо сгорает, в результате чего его внутренняя химическая энергия (ВХЭ) преобразуется в механическую работу (МЭ) — вращение коленчатого вала.

По ряду причин (сделавших неработоспособным тепловоз Р. Дизеля), о которых шла речь выше, коленчатый вал дизеля нельзя соединить непосредственно с колесными парами, поэтому между ними устанавливается передача 2 (см. рисунок 5,б), которая может состоять из генератора 2А и тяговых электродвигателей 2Б.

В последних электрическая энергия (ЭЭ), вырабатываемая генератором 2А, преобразуется вновь в механическую (М_к), а затем на колесных парах, реализуется в работу силы тяги F_k.

Тепловоз — пока самый эффективный тип локомотива с точки зрения процессов преобразования и передачи энергии, его максимальное значение кпд составляет 27—32%. Он автономен, его пробег без набора топлива, песка и т.д. составляет более 1000 км. При эксплуатации тепловоза легко осуществить автоматизацию систем управле­ния, контроля и диагностики узлов.

Основные недостатки тепловозов — более сложная конструкция, чем у паровозов и, соответственно, меньшая надежность в работе и трудоемкость обслуживания.