Фото: Коломенский тепловозостроительный завод
В поисках экологичной и экономной альтернативы паровозам и тепловозам инженеры 1940-50-х годов рассматривали установку на локомотив газотурбинного двигателя. Ничего сверхъестественного в этом не было. В то время турбореактивные двигатели, активно совершенствуясь, уже совершили техническую революцию в авиации, и вполне логичной явилась попытка их установки на наземный транспорт, в частности на железнодорожные локомотивы. Такие машины были построены, некоторое время находились в опытной эксплуатации, но массовыми не стали по целому ряду причин.
Сегодня идея газотурбовоза, можно сказать, переживает свое второе рождение — уже на новом техническом уровне. Специально для этого класса тяжелых локомотивов один из ведущих отечественных разработчиков и производителей авиационных двигателей «ОДК-Кузнецов», входящий в состав Объединенной двигателестроительной корпорации Ростеха, разработал установку НК-361 на основе авиационного турбореактивного двигателя. Более подробно о наземном применении «авиационных» турбореактивных двигателей, истории создания локомотивов — газотурбовозов, их достоинствах и недостатках, а также о сегодняшнем дне и перспективах развития — в нашем материале.
Локомотивная газотурбинная установка
Прежде чем приступить к рассказу о самих газотурбовозах, вкратце поясним важные технические и теоретические вопросы, связанные с их силовыми установками. Что же представляет собой в техническом отношении устанавливаемый на локомотив газотурбинный двигатель? Каков принцип работы таких установок? Вкратце, газотурбинная установка работает следующим образом. Тепловой машиной локомотивной газотурбинной установки (ГТУ) является сам газотурбинный двигатель, или ГТД. В ГТД энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.
Принцип работы газотурбинной установки в целом подобен работе классического турбореактивного двигателя. Этот несколько измененный ТРД устанавливается в машинном отделении локомотива. Топливо сжигается в камере сгорания, полученные газы с высокой температурой устремляются на газовую турбину, которая приводится во вращение этим потоком газов. Часть полученной механической энергии от вала турбины передается компрессору, который сжимает воздух на входном устройстве, а часть мощности с вала газовой турбины отбирается на привод генератора, вырабатывающего электрическую энергию для тяговых электродвигателей локомотива.
Газотурбовоз ГП1-0001. Фото: Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта
Различают газотурбинные двигатели одновальные, двухвальные и одновальные с регенерацией (использованием) тепла отходящих газов. В одновальном двигателе привод компрессора и генератора осуществляет одновременно одна турбина. В двухвальном двигателе имеются две турбины — компрессорная, жестко связанная с валом компрессора и обеспечивающая подвод к нему мощности для сжатия воздуха, и тяговая для привода генератора. С целью повышения КПД газотурбинных двигателей воздух перед поступлением в камеру сгорания подогревается в регенераторе за счет тепла отработавших газов. Таким образом, часть тепла отработавших газов снова используется для совершения полезной работы в турбине. Первые образцы газотурбинных установок имели очень низкий эксплуатационный КПД — порядка 15% и в качестве топлива использовали нефть.
Первые локомотивы с ГТУ
Первым локомотивом с ГТУ стал газотурбовоз «Am 4/6 1101», который был построен в Швейцарии локомотивостроительным заводом и фирмой «Броун—Бовери». Произошло это в 1941 году. Газотурбинный двигатель локомотива был одновальным, регенеративной схемы, с температурой газов перед турбиной 600 °С. Мощность на валу — 2200 л.с. Вращение турбины передавалось на электрический генератор. Несмотря на наличие регенератора, высоким КПД швейцарский локомотив не обладал. Эксплуатационный КПД этого газотурбовоза составлял только 14%. Доводки и испытания новой машины заняли целых четыре года, после чего она была передана в эксплуатацию. Однако имелись существенные ограничения, обусловленные некоторыми нерешенными техническими проблемами. Так, мощность новой установки использовалась лишь на 50%, и поэтому эксплуатационный КПД этого локомотива находился на уровне 7—9,5%.
В 1940-50-е годы газотурбовозы строились в Англии фирмой «Метрополитен-Виккерс» (один экземпляр) и в США фирмами «Вестингауз», «Дженерал Электрик» и «Алко». В Америке было построено около 25 локомотивов такого типа. Некоторые из них успешно эксплуатировались на железнодорожной магистрали «Юнион Пасифик».
Первый экспериментальный газотурбовоз «Am 4/6 1101» швейцарской фирмы «Броун-Бовери»
К созданию первого отечественного газотурбовоза в Советском Союзе приступили в 1954 году. Поначалу заниматься разработкой локомотива предложили специалистам Харьковского завода транспортного машиностроения. Изначально стояла задача спроектировать и построить газотурбовозы с техническими характеристиками, позволяющими эксплуатировать их с большим экономическим эффектом, нежели тепловозы.
Разработка нового локомотива в Харькове столкнулась с целым рядом трудностей, поэтому было принято решение дать задание на разработку газотурбовоза Коломенскому машиностроительному заводу. Именно в Коломне в декабре 1959 года и был построен первый в СССР грузовой газотурбовоз серии Г1-01 мощностью 5200 кВт (7000 л.с.). Машина была создана под руководством главного конструктора завода Льва Лебедянского, знаменитого советского конструктора паровозов и локомотивов, с участием коллектива ученых-двигателистов МВТУ имени Баумана под руководством В.В. Уварова. На газотурбовозе был установлен одновальный газотурбинный двигатель без регенерации теплоты уходящих газов и применена электрическая передача постоянного тока. Пуск ГТД осуществлялся от вспомогательного дизеля. С 1962 года локомотив находился в опытной эксплуатации в депо Кочетовка Юго-Восточной железной дороги.
Первый в стране грузовой газотурбовоз Г1. Фото: Коломенский тепловозостроительный завод
Через год, в 1960 году, опытный газотурбовоз ГТ101-001 был построен на Ворошиловградском (Луганском) тепловозостроительном заводе. Тема этой работы была передана в Луганск из Харькова. В 1964 году на Коломенском заводе были построены два пассажирских газотурбовоза серии ГП1 № 001 и № 002 мощностью 2580 кВт каждый. В 1965 году эти пассажирские газотурбовозы направили в депо Льгов Московской железной дороги для опытной эксплуатации. Туда же был переведен и Г1-01. Эксплуатация газотурбовозов показала, что КПД опытных локомотивов не превышает 15%. Удельный расход топлива был почти в два с половиной раза больше, чем у серийных в то время тепловозов ТЭЗ.
Преимущества и недостатки газотурбовозов
К недостаткам локомотивов с ГТУ относят более низкий, чем у тепловозов КПД. Это вызвано, в первую очередь, ограничением температуры газов перед турбиной из-за теплостойкости материала, из которого изготовлены лопатки турбины, и более резким увеличением расхода топлива при неполной загрузке. Для сравнения с авиационными ТРД отметим следующий факт: в авиации ТРД работают практически с полной нагрузкой постоянно. При низких температурах воздуха (от —40 до —60 градусов Цельсия), которые преобладают на больших высотах, в таком режиме расход топлива становится минимальным и в полной мере реализуется мощность.
Как известно, газотурбинные двигательные установки широко применяются в судостроении. Что касается корабельных ГТУ, то они тоже работают с постоянной нагрузкой длительное время, а в корабельных машинных отделениях можно легко устанавливать необходимые в таких случаях громоздкие теплообменники. Именно их применение позволяет достигнуть более высокого КПД газотурбинной установки. Это происходит за счет подачи на компрессор турбины постоянно холодного воздуха, что не зависит от температуры окружающей среды.
Но вот с локомотивами картина совершенно другая, нежели с самолетами или кораблями. Газотурбовозы работают с резко изменяющейся нагрузкой и при достаточно широких колебаниях температуры воздуха (от —50 до +40 градусов Цельсия). Установить на них полноценные теплообменники также не представляется возможным из-за небольших внутренних габаритов локомотивов и жестких весовых ограничений. Поэтому получить такой же эффект от ГТУ газотурбовоза, как на самолетах и кораблях, оказалось в то время и на том уровне технического развития практически невозможным.
Вместе с тем у газотурбовозов были и некоторые преимущества. Оба локомотива ГП1-№ 001 и № 002, а также газотурбовоз Г1, приписанные после испытаний к депо Льгов Московской дороги, зарекомендовали себя с неплохой стороны: они оказались надежными, хотя и не очень простыми в эксплуатации и ремонте. Уровень шума в их кабине машиниста не превышал 80 дБ, тогда как у тепловоза ТЭЗ достигал 96 дБ. К достоинствам локомотивов с ГТУ также можно отнести малые удельный вес и габариты (приходящиеся на 1 кВт мощности) газотурбинного двигателя и возможность постройки мощных автономных локомотивов секционной мощностью 10 000 кВт и более.
Газотурбовоз ГП1-0002. Фото: Коломенский тепловозостроительный завод
Газотурбинные двигатели, в отличие от тех же дизельных, характеризуются более легким запуском, особенно при низких температурах, и готовностью к работе в сложных климатических условиях (низкие температуры, перепады атмосферного давления и т.п.) из-за отсутствия необходимых для дизеля систем водяного охлаждения. Газотурбинная двигательная установка имеет возможность использовать в перспективе очень многие виды топлива.
Нужно отметить тот факт, что в то время, а речь идет о 1950-60-х годах, работы по газотурбовозам проходили параллельно с проектированием и постройкой тепловозов. Конструкторы предполагали, что локомотивы с ГТУ будут превосходить технические и экономические характеристики тепловозов, но в то время этого добиться не получилось. Технический уровень того времени этого не позволил. Все созданные опытные локомотивы с ГТУ по комплексу основных эксплуатационных и рабочих характеристик уступали уже эксплуатирующимся тепловозам. Поэтому и было принято решение о дальнейшем прекращении работ по ним. Для того времени такой выбор представлялся оправданным и правильным.
Продолжение следует...
Свежие комментарии