free web hosting | free hosting | Web Hosting | Free Website Submission | shopping cart | php hosting

Экспериментальные типы локомотивов:
теплопаровозы, газотурбовозы и турбовагоны


Теплопаровозы
Применение на локомотивах в качестве источника механической энергии двигателя внутреннего сгорания позволяет благодаря его высокому коэффициенту полезного действия наиболее экономично использовать жидкое топливо. Вместе с тем двигатель внутреннего сгорания не может прийти в действие при неподвижных поршнях и совершать работу при низких скоростях их перемещения. Это является одной из причин того, что локомотивы с двигателями внутреннего сгорания должны иметь промежуточную передачу между дизелем и колесными парами, например электрическую, гидравлическую или механическую, что увеличивает стоимость локомотива и требует дополнительного ремонта. Стремясь к упрощению и удешевлению тепловоза, многие инженеры искали решения в создании двигателя внутреннего сгорания с непосредственной передачей на движущие колеса. Попытками создания такого тепловоза являлись проекты профессора В.И. Гриневецкого, инженеров А.И. Липеца, И.Ф. Ядова, Г.К. Хлебникова, а также работы М.И. Пригоровскего и ряда других.

В своих проектах И.Ф. Ядов предусматривал разгон локомотива паром, а дальнейшую работу намечал производить при помощи пара и продуктов сгорания топлива, причем вода, охлаждающая стенки двигателя, должна была поступать в котел; паровые цилиндры намечено было расположить снаружи боковин рамы, а цилиндр дизеля установить с большим наклоном, связав его поршень шатуном с коленом средней части оси ведущей колесной пары.

М. И. Пригоровский предлагал осуществлять разгон локомотива путем питания его машин сжатым воздухом, а скорость движения изменять регулированием давления в цилиндрах в конце сжатия посредством декомпрессии (выпуска воздуха в процессе сжатия), а также регулированием продолжительности сгорания топлива в цилиндрах.

Проектом инженера Г.К. Хлебникова разгон предполагалось осуществлять также сжатым воздухом, регулирование мощности - изменением подачи топлива и количества наддувочного воздуха, а для уменьшения степени сжатия при трогании намечалось устройство дополнительных камер у цилиндров двигателей; при этом объем камер мог изменяться по воле машиниста.

В последних двух проектах для получения сжатого воздуха на тепловозе предусматривалась специальная дизель-компрессорная установка, а для воспламенения топлива при пониженном давлении сжатия - специальные запальники.

В 1926 г. завод Ансальдо в Генуе построил тепловоз непосредственного действия типа 2-3-1 с щестицилиндровым двигателем Юнкерса с разбегающимися поршнями. В 1928 г. английский завод Китсон в Лидсе построил тепловоз типа 1-3-1 с котлом Стилла. У тепловоза Ансальдо трогание и первоначальный разгон осуществлялись сжатым воздухом из баллонов, для чего устанавливались машины, подобные паровозным; у тепловоза Китсон - Стилла трогание и разгон производились паром, получаемым от небольшого котла паровозного типа. При достижении тепловозом скорости, при которой становилось возможным самовоспламенение топлива в цилиндрах, двигатель начинал работать по циклу Дизеля.

Опытные тепловозы оказались неудачными; при переходе машин на работу по циклу Дизеля происходили резкие взрывы, не хватало воздуха или пара на разгон и т. д.

В 1935 г. студент Московского электромеханического института инженеров транспорта Л.М. Майзель предложил построить локомотив, сочетающий в себе тепловоз непосредственного действия и паровоз. Паровая машина в этом локомотиве должна была использоваться не только при разгоне, но и при дальнейшем следовании, причем работать одновременно с двигателем внутреннего сгорания. Вторая особенность предложения Л.М. Майзеля заключалась в использовании одного и того же цилиндра, как для цикла паровой машины, так и для цикла двигателя внутреннего сгорания.

Новый локомотив Л.М. Майзель назвал теплопаровозом, т. е. дал ему наименование, сочетающее в себе понятия тепловоз и паровоз. Строго говоря, теплопаровоз нельзя отнести ни к паровозу, ни к тепловозу, так как при этом будет характеризоваться лишь одна сторона этого локомотива.

Сочетание паровой машины и двигателя внутреннего сгорания в одном локомотиве должно было позволить производить неограниченное количество пусков теплопаровоза и получить хорошую тяговую характеристику. На низких скоростях, когда мощность локомотива ограничивается сцепным весом, должна была работать паровая машина, а дальше, когда у паровоза мощность ограничивается паропроизводительностью котла, у теплопаровоза одновременное паром в той же машине должны были начинать работать газы от сгорания топлива. Предполагалось, что такое сочетание значительно повысит общую мощность локомотива и сделает теплопаровоз более экономичной машиной по сравнению с паровозом, особенно при эксплуатации с высокими скоростями, позволяющими длительно использовать более мощный двигатель внутреннего сгорания. В отличие от тепловоза Китсон - Стилла, котел теплопаровоза должен был использоваться не только как пусковой баллон, но и как постоянный источник энергии параллельно с дизелем (аналогично проекту И.Ф. Ядова).

Считалось, что теплопаровоз благодаря работе не только котла, но и дизеля сможет делать значительные пробеги между наборами воды, топлива и промывками котла, превышающие в несколько раз соответствующие пробеги паровозов. Одно из преимуществ теплопаровоза перед тепловозом виделось в том, что он мог быть более легко освоен в эксплуатации работниками паровозных депо, чем тепловоз с электрической передачей.

После рассмотрения предложения инженера Л.М. Майзеля в научно-техническом совете НКПС было поручено Научно-исследовательскому институту железнодорожного транспорта сделать технический проект теплопаровоза. На основе разработок института Ворошиловградский паровозостроительный завод получил задание на проектирование пассажирского теплопаровоза, а на Пролетарском паровозоремонтном заводе в Ленинграде было создано особое бюро по рабочему проектированию переделки паровоза типа 2-3-0 серии К в теплопаровоз. Когда были готовы проекты, переделку паровоза серии К в теплопаровоз отменили из-за сложности проекта. В 1939 г. было принято решение о постройке двух теплопаровозов - пассажирского на Ворошиловградском паровозостроительном заходе и грузового на Коломенском машиностроительном.

***

До войны 1941 - 1945 гг. необходимость постройки теплопаровозов обосновывалась тем, что такой локомотив будет иметь более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с паровозом (расчетный к.п.д. теплопаровоза 14-16%, паровоза 6-7%) и может выпускаться паровозостроительными заводами. В послевоенное время, когда была налажена серийная постройка тепловозов с электрической передачей, имеющих к.п.д. на наивыгоднейших режимах работы 26-27 % и наиболее полно использующих мощность двигателя в широком диапазоне скоростей, работы с теплопаровозами были прекращены. Искусственное совмещение паровой машины и дизеля в одном цилиндре не оправдано также и потому, что у них не совпадают оптимальные значения степени сжатия. Для экономичной работы дизеля требуется степень сжатия, превышающая более чем в два раза оптимальную степень сжатия паровой машины. Поэтому, если двигатель внутреннего сгорания в нормальных условиях имеет удельный расход жидкого топлива около 180 г/(э.л.с.ч), то на теплопаровозе он будет расходовать 230 - 250 г/(э.л.с.ч). Паровая машина теплопаровоза также работает менее экономично, чем машина обычного паровоза. Следовательно, раздельное использование жидкого и твердого топлива соответственно на тепловозах и паровозах экономически более эффективно.

Теплопаровоз, теряя положительные качества паровоза - простоту конструкции, надежность в эксплуатации, возможность работы на любом виде топлива, сохраняет все его отрицательные свойства - неравномерность силы тяги, трудоемкий ремонт котла.

Все эти причины послужили основанием для прекращения в начале 50-х годов работы над теплопаровозами.

Модель Номера Производитель Осевая формула Начало выпуска Окончание выпуска; Примечания
ТП1 1 Коломна 1-5-1 1939   Пассажирский, опытный
№8000 8000 Ворошиловград 1-4-1 1939   Пассажирский, опытный
№8001 8001 Ворошиловград 1-5-1 1945   Грузовой, опытный




Газотурбовозы
Успехи применения газовых турбин на самолетах, а также использование их в качестве двигателей теплосиловых установок на судах и в стационарной энергетике послужили основанием для создания автономного локомотива, у которого первичным двигателем является газовая турбина. Такие локомотивы получили наименование газотурбовозов.

Газотурбовозы по сравнению с тепловозами, относящимися в отличие от электровозов также к автономным локомотивам, имеют ряд технико-экономических преимуществ: газотурбинная установка может использовать более низкосортное жидкое топливо, чем топливо, необходимое для дизеля, Эта установка не нуждается в водяном охлаждении; вес ее ниже веса дизеля, такой же мощности, что позволяет легче получить большую мощность локомотива в одной секции; расход масла газовой турбины в несколько раз меньший, чем у дизеля, который имеет больше, чем у турбины, подшипников, и полностью отсутствуют у турбин поршни.

По сравнению с дизелем газотурбинные установки применительно к локомотивам имеют и недостатки: более низкий коэффициент полезного действия из-за ограничения температуры газов перед турбиной по условию жаростойкости материала лопаток турбины, а также более резкое увеличение расхода топлива на единицу полезной работы при неполной загрузке двигателя. Высокие технико-экономические показатели газотурбинной установки в условиях авиационной службы определяются длительностью ее работы с постоянной практически полной нагрузкой и низкой температурой окружающего воздуха (-40 -50С).На судах газотурбинные установки также длительно работают с полной нагрузкой, а возможность оборудования установки относительно громоздкими теплообменниками позволяет иметь достаточно высокий коэффициент полезного действия независимо от температуры окружающего воздуха. Так как локомотивы обычно работают с резко переменной нагрузкой и при широких колебаниях температуры окружающего воздуха (от -50 до +40С) и так как установить на них регенерационное оборудование (теплообменники) затруднительно из-за стесненных габаритных размеров и ограничений по весу, то получить от газотурбинной установки газотурбовоза такой же эффект, как на самолетах или судах, практически невозможно. Чтобы повысить коэффициент полезного действия газотурбинной установки, работающей на локомотиве, имеется ряд средств, из котоых наиболее эффективным является повышение температуры рабочего тела (смеси воздуха и газов - продуктов сгорания топлива) перед турбиной. Еще можно использовать двойную тягу путем сцепки газотурбовоза и тепловоза, как это применила одна из железных дорог США. Повышение температуры рабочего тела требует более дорогих жаропрочных материалов и уменьшает срок службы деталей, подвергающихся воздействию высоких температур. Работа газотурбовоза с тепловозом хотя и ведет к поддержанию более стабильной нагрузки газотурбовоза путем регулирования мощности сцепленных локомотивов в основном только на тепловозе, но снижает общую эффективность такого вида тяги за счет содержания в депо двух разнородных локомотивов.

С повышением окружающей температуры мощность газотурбовоза заметно падает. Так называемые одновальные газотурбинные установки, у которых газовая турбина и компрессор расположены на одном валу, не могут развивать вращающего момента при нулевой скорости и требуют электрической или гидравлической передачи к движущим колесным парам, как и на тепловозах. При многовальных установках, у которых тяговая газовая турбина механически не связана с компрессором и приводящей его в движение турбиной, возможно применение чисто механической передачи к движущим колесным парам.

Первые разработки газотурбовозов конструкторскими организациями локомотивостроительных заводов относятся еще к 1954 г., когда на Коломенском паровозостроительном заводе им. В. В. Куйбышева и Харьковском заводе транспортного машиностроения им. В. А. Малышева началось эскизное проектирование новых локомотивов.

Работники заводов и Научно-технический совет Министерства путей сообщения, рассматривавший в мае 1955 г. эти проекты, рекомендовали вести дальнейшую разработку технического проекта и изготовление отдельных элементов газотурбовоза в двухсекционном исполнении с газовыми турбинами полезной мощностью 3000-3500 л.с., работающих на жидком топливе (мазуте). При создании газотурбовоза было рекомендовано применение на установках открытого цикла без регенерации с минимальным числом ступеней газовой турбины и осевого компрессора. Одновременно было признано необходимым проведение конструкторских и научно-исследовательских работ по созданию газотурбинной установки, работающей на пылеугольном топливе, с безвальным генератором газов и с газификацией угля под давлением.

Проектирование, испытание отдельных узлов газотурбовозов, работающих на жидком топливе, в дальнейшем проводилось двумя тепловозостроительными заводами: Коломенским, построившим газотурбовозы с открытым циклом, и Луганским, построившим газотурбовоз с безвальным генератором газа.

ЦНИИ МПС в 1955-1956 гг. разработал по схеме, предложенной профессором Н.И. Белоконь, эскизный проект газотурбовоза с двухступенчатым сжиганием топлива: в первой ступени - в воздушном котле с обычной топкой должно сжигаться любое промышленное топливо; во второй ступени - камере сгорания, куда поступает нагретый воздух, - низкосортное жидкое топливо.

Модель Номера Производитель Осевая формула Начало выпуска Окончание выпуска; Примечания
Г1 01 Коломна 30 - 30 1955 1955 д. Льгов
ГТ101 01 Луганск 30 - 30 1960 1960  
ГП-1 01, 02 Коломна 30 - 30 1964 1964 1965г. в д. Льгов




Турбо и турбореактивные вагон-лаборатории
Для проведения исследовательских работ в области применения газовых турбин на моторвагонном подвижном составе и для оцнки влияния на путь при движении с большими скорстями были разработаны и изготовлены экспериментальный турбовагон и скоростная вагон-лаборатория с турбореактивным двигателем.

Модель Номера Производитель Осевая формула Начало выпуска Окончание выпуска; Примечания
Турбовагон   ЦНИИ МПС 20-20 1964 1964 ГТД-350 + генератор
Турбопоезд   ЦНИИ МПС 20-20 1970 1970 ГТУ 2 шт.
СВЛ   Калинин. ВЗ   1970 1970 турбореактивный, 2 двиг. от ЯК40

Локомотивы Российских железных дорог (вернуться назад)